文/馮海波

曹鏞院士團(tuán)隊(duì)瞄準(zhǔn)聚合物太陽(yáng)電池能量轉(zhuǎn)換效率項(xiàng)目研究水平世界領(lǐng)先

文/馮海波

聚合物太陽(yáng)電池是一種新型光伏器件，具有制備成本低、重量輕、可制備成柔性器件等優(yōu)點(diǎn)，與無(wú)機(jī)半導(dǎo)體太陽(yáng)電池有很強(qiáng)的互補(bǔ)性。為解決制約聚合物太陽(yáng)電池能量轉(zhuǎn)換效率不高的問題，中國(guó)科學(xué)院院士、華南理工大學(xué)曹鏞教授帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)從材料和器件兩方面提出了原創(chuàng)性的新策略，并取得了重大的研究進(jìn)展，多次在文獻(xiàn)中公開報(bào)道該項(xiàng)目研究成果，引領(lǐng)該領(lǐng)域研究水平不斷攀升。其成果“實(shí)現(xiàn)高效率有機(jī)太陽(yáng)電池的新型聚合物材料及器件結(jié)構(gòu)”也榮獲2015年度國(guó)家自然科學(xué)二等獎(jiǎng)。

新型聚合物太陽(yáng)電池是當(dāng)前研究熱點(diǎn)

據(jù)了解，近十幾年來(lái)，高分子光電材料與器件處于高速發(fā)展時(shí)期，在平板顯示、節(jié)能照明、新型太陽(yáng)電池等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用前景。隨著發(fā)光材料和顯示屏技術(shù)的不斷進(jìn)步，顯示材料和制備技術(shù)快速發(fā)展，接近產(chǎn)業(yè)化，受到市場(chǎng)、企業(yè)以及政府部門的高度重視和大力推動(dòng)。作為一種新型的光伏器件，聚合物太陽(yáng)電池近年來(lái)也在國(guó)際上引起了廣泛的關(guān)注，是當(dāng)今科技界的一個(gè)研究熱點(diǎn)。

據(jù)團(tuán)隊(duì)成員、華南理工大學(xué)教授吳宏濱介紹，聚合物太陽(yáng)電池是指以共軛聚合物（高分子）半導(dǎo)體材料為核心組成的一種新型的太陽(yáng)電池，具有重量輕，材料來(lái)源豐富、價(jià)格低廉，分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈活，可通過印刷技術(shù)大面積制備以及不需要高溫制備工藝等諸多優(yōu)點(diǎn)。作為一種有潛力的低成本可再生能源技術(shù)，聚合物太陽(yáng)電池在太陽(yáng)能發(fā)電、野外便攜式充電器、太陽(yáng)能電動(dòng)交通工具、發(fā)電式建筑外墻等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。前期的研究成果表明，這種太陽(yáng)電池的能量轉(zhuǎn)化效率可超過8% 但是如果要大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用，還需要進(jìn)一步大幅提高其能量轉(zhuǎn)換效率，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行大面積模組制備工藝及光照下長(zhǎng)期穩(wěn)定性的研究。

在材料和器件上實(shí)現(xiàn)原始創(chuàng)新

團(tuán)隊(duì)成員表示，聚合物太陽(yáng)電池綜合了共軛有機(jī)小分子/聚合物所兼?zhèn)涞膬?yōu)良半導(dǎo)體特性和機(jī)械加工特性，使得人們可在室溫下以配制溶液，然后通過旋轉(zhuǎn)涂膜、噴涂等成膜，或者用滾筒印刷，噴墨打印的方式制備質(zhì)量輕、柔性好、成本低廉的大面積太陽(yáng)電池。團(tuán)隊(duì)經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，器件光活性層的聚集形態(tài)及其帶尾態(tài)對(duì)聚合物太陽(yáng)電池的開路電壓有重要影響，并且可以通過調(diào)控活性層的組分和微納分相，實(shí)現(xiàn)對(duì)帶尾態(tài)的控制，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)開路電壓和器件綜合性能的同步提高。

研究團(tuán)隊(duì)在華南理工大學(xué)高分子光電材料與器件研究所首創(chuàng)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的水/醇溶性聚合物太陽(yáng)電池界面調(diào)控材料與技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過協(xié)同創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)了器件效率的新突破。研究人員通過在氧化銦錫表面引入水（醇）溶性共軛聚合物，制備出可高效收集光生載流子的陰極，從而設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種高效、新穎的倒置結(jié)構(gòu)聚合物太陽(yáng)電池。該器件結(jié)構(gòu)可有效增強(qiáng)入射太陽(yáng)光的吸收，因而可有效提高器件的短路電流等關(guān)鍵性能指標(biāo)，并實(shí)現(xiàn)了9.214%的能量轉(zhuǎn)換效率，這一效率得到國(guó)家光伏質(zhì)檢中心的獨(dú)立認(rèn)證。研究成果在國(guó)際著名學(xué)術(shù) 雜 志 《 Nature Photonics》（《自然·光子學(xué)》）上發(fā)表，并被該期雜志選為研究亮點(diǎn)。研究表明，小面積聚合物太陽(yáng)電池的實(shí)驗(yàn)室效率已經(jīng)十分接近非晶硅太陽(yáng)電池的水平，通過進(jìn)一步進(jìn)行大面積電池均勻性研究和提高能量轉(zhuǎn)換效率以及加強(qiáng)長(zhǎng)期室外穩(wěn)定性的研究，有可能具有規(guī)?；a(chǎn)和應(yīng)用的前景，是一類值得大力支持發(fā)展的薄膜太陽(yáng)電池。

曹鏞院士團(tuán)隊(duì)研制的聚合物太陽(yáng)電池器件

成果曾獲“中國(guó)科學(xué)十大進(jìn)展”

團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并合成了新型聚合物太陽(yáng)電池材料，探索增強(qiáng)聚合物太陽(yáng)電池的開路電壓以及整體性能的新方法，提出了一種新的器件結(jié)構(gòu)。其研制的裝置可以同時(shí)提供實(shí)現(xiàn)高效光生載流子收集的歐姆接觸以及最優(yōu)的太陽(yáng)光子利用。由于他們提出的器件結(jié)構(gòu)可方便利用并能大幅度提高能量轉(zhuǎn)化效率，所以這一發(fā)現(xiàn)還可為其他材料體系所借鑒。吳宏濱教授表示，制約聚合物太陽(yáng)電池大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵瓶頸——光電轉(zhuǎn)換效率偏低的問題已經(jīng)取得突破性進(jìn)展，“聚合物太陽(yáng)電池能量轉(zhuǎn)換效率的不斷提高主要來(lái)源于兩方面的貢獻(xiàn):其一是很多新型、高性能的光伏活性材料的成功研發(fā)；其二是新型器件結(jié)構(gòu)及新的器件優(yōu)化方法的進(jìn)步”。由此，聚合物太陽(yáng)電池的實(shí)驗(yàn)室能量轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)從2001年的2%提高到目前的10%左右，已具備便攜式能源的開發(fā)價(jià)值。

項(xiàng)目實(shí)施過程中，發(fā)表SCI論文120篇，8篇代表論文被他人引用2300余次，單篇最高SCI他引1100余次；成果中有2篇論文被評(píng)為2011年度和2012年度“中國(guó)百篇最具影響國(guó)際學(xué)術(shù)論文”；已獲發(fā)明專利授權(quán)7項(xiàng)。此前，團(tuán)隊(duì)利用一種倒置結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)到9.214%的聚合物太陽(yáng)電池，刷新了同行評(píng)審的科學(xué)文獻(xiàn)報(bào)道中單結(jié)聚合物異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池能量轉(zhuǎn)換效率的世界最好水平，由此入選科技部基礎(chǔ)研究管理中心發(fā)布的2012年度“中國(guó)科學(xué)十大進(jìn)展”。同時(shí)，相關(guān)成果也曾獲得2014年度高等學(xué)校科學(xué)研究?jī)?yōu)秀成果獎(jiǎng)（科學(xué)技術(shù)）自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。