新方法提高塑料太阳能电池效率

本文刊载于《科学观察》2009年第4卷第2期P58-P59。

如果您喜欢，欢迎订购我刊。

有关超导体的论文继续在化学热点中名列前茅：论文1与论文3都曾在最近几期化学热点中出现过；论文5的研究内容也是超导体；论文4的排名同样比较靠前，其关注的重点是电子移动的另一面——半导体；论文2作为化学热点里的新面孔，也是研究与电相关的科学难题，其通过提高使太阳能面板的能量转换效率，表现出该研究的实际使用价值。

如果50年后，人们希望继续保持当前的生活方式，那么就不得不放弃对化石燃料的依赖，寻找从太阳收集人类所需要能源的新途径。把无穷的光子转换成可移动的电子，是使世界远离能源污染的一个重要战略。实现这种想法的关键一步可能是塑料太阳能电池，而论文2正是科学家为此努力所得到的结果。

论文2是由诺贝尔奖得主Alan Heeger与Guillermo Bazan教授所领导的研究小组完成的，研究单位为加利福尼亚大学巴巴拉分校的有机固体与聚合物研究中心。研究人员发现，把1,8-辛二硫醇加入到制备塑料太阳能电池的溶液中，可以把转化效率从2.8%提高到5.5%，几乎是原来的二倍(别的硫醇也可以提高效率，但效果并不明显)。实验操作过程非常简单，一旦形成膜，添加物随即消失，而且似乎并不需要优化材料或者调整电池制备的方式。

聚合物太阳能电池将富勒烯与聚合物半导体结合，前者释放电子，后者提供空穴，然后，电子与空穴分别移动到各自的电极，形成电流。当然，界面附近的电子和空穴互相移动，净电荷为零，出现这种现象主要是由于旋模法的生产工艺所造成的。

Heeger与Bazan教授改进了生产工艺，方法仅仅是把少量的1,8-辛二硫醇加入到浇铸异质构形膜的溶液中。制备太阳能电池所需的材料为光供体有机聚合物聚(3-己基噻吩)(也称作P3HT)，以及受体富勒烯的衍生物[6,6]-苯基C61-丁酸甲酯(C61-PCBM)。此太阳能电池的缺点是：膜形成以后，对热退火或者缓慢的溶剂蒸发没有反应。(www.xing528.com)

Heeger与Bazan提供了一个简单而又灵活的方法，用于去除电池中对热退火无效的异质构形。他们还指出，这种方法甚至也可以在观察不到聚合物结晶的体系中使用。

研究人员向浇注膜的氯苯溶液中，每升加入24mg1,8-辛二硫醇，并且对膜真空干燥后，通过FTIR与拉曼光谱对其进行了表征，结果表明膜上无硫醇残留。研究小组一共制备了250多个塑料太阳能膜样品，并对1 000多个装置进行了测试。实验结果表明，最佳的聚合物/富勒烯之比在1:2与1:3之间，在100mW/cm²的光照下，产生电流16.2mA/cm²，电压0.62V，此时可以获得最大的转化效率5.5%。

目前，Bazan教授正在研究添加物所带来的环境变化对膜内部组分的影响。

Bazan教授在与Science Watch的记者交谈中表示：“我们发现，分子组分纳米尺度上的排列对于有效电荷的产生与收集非常重要。然而，很少有人知道膜内部组分最佳的空间组织结构是什么，即使我们知道，根据当前的科研水平，我们也无法合成出来！”然而，论文2预测，在光电池制备方面，重大的突破很可能即将到来，太阳能转化效率将会大幅提高。

翻译：朱海峰 审校：马建华

*John Emsley 博士，英国剑桥大学化学系