与传统的硅太阳能技术一样，OSC 将太阳能转化为可用电能。 但它们比传统的太阳能光伏发电更通用。 OSC 重量轻且灵活，可以制成半透明或各种颜色。 这些品质使它们具有用于纺织、车辆和建筑集成太阳能电池的潜在应用，以及在不存在太阳能电池的地区发电。

独特的应用

虽然需要额外的资金和研究将 OSC 推向商业市场，但专家们一致认为它们将在太阳能技术的未来发挥重要作用。 也就是说，他们不会取代或与硅太阳能电池正面竞争。 “我们不应该期望看到 OSC 的广阔领域，比如那些在硅太阳能农场产生千兆瓦功率的领域，”佐治亚理工学院的化学教授 Seth Marder 说。 硅太阳能适用于提供大规模太阳能，而 OSC 具有其他独特的优势，可以指导其实际应用。 

OSC 的两个独特特征是它们的薄度和灵活性。 虽然典型的硅太阳能电池大约与人头发的平均宽度一样厚，但大多数 OSC 大约薄一千倍。 由于它们的薄度和柔韧性，OSC 可以在曲面和柔性背衬上制造。 例如，它们可以修补或集成到帐篷、背包甚至服装的面料中。 这些产品中的大多数仍在开发中并占据了一个利基市场，但它们展示了 OSC 提供的创新创造力。 借助 OSC 技术，可以使用太阳能电池的可能性已经大大扩展，不仅限于屋顶和太阳能农场。

OSC 还可以制成透明、半透明或各种颜色。 因此，有许多潜在的建筑用途应用。 例如，透明的 OSC 可以集成到窗户中，从阳光中产生能量，否则可能会使房间变暖并导致更高的空调成本。 北卡罗来纳州立大学材料科学与工程教授 Franky So 提供了另一种应用：OSC 可用于天窗，为电动汽车和混合动力汽车提供动力。

此外，低前期投资和潜在的低产品运输成本使得 OSC 技术可供发展中国家的社区使用，这些社区缺乏电网接入和建立电网的财务手段。 波士顿大学化学副教授 Malika Jeffries-EL 解释说，OSC 具有“在没有力量的地方带来力量”的独特能力。 在这些情况下，OSC 技术可以提供照明、手机充电、冷藏药物和疫苗等任务所需的少量电力。

OSC 的另一个卖点是它们的制造能耗低于硅太阳能电池。 生产用于硅太阳能电池的高纯度硅需要极高的炉子——高达 1,500 °C (2,700 °F)。 相比之下，大规模的 OSC 可以通过简单地将电池层打印到背衬上来制造，其工艺类似于用于印刷报纸的工艺。 由于此过程消耗的能量较少，因此与硅电池相比，OSC 的能源回收时间要短得多。 换句话说，OSC 需要更短的时间来产生制造它们所需的能量。

如何操作

第一个有机太阳能电池于 1958 年开发，但直到 2000 年代 OSC 的效率才显着提高。 这种改进的 OSC 技术源自有机发光二极管领域，通常称为 OLED。 OLED 技术用于当今市场上的许多电视和电话屏幕。 在 OLED 屏幕中，当施加电流时，一层有机分子（主要由碳和氢原子组成的分子）会发光。 OSC 基本上以相反的方式工作——有机分子层在暴露于光时会产生电流。

有机太阳能电池由多层材料组成，其中一层是受体层。 当阳光照射到细胞时，有机分子层会释放一个电子，受体的工作是将该电子传递给电极。 这个过程会导致电荷积聚，从而产生电力。

传统上，OSC 中最常用的受体是基于富勒烯的材料——一种由 60 个碳原子组成的分子，其结构类似于足球。 然而，对于富勒烯受体，OSCs 的效率被限制在 10% 左右。 换句话说，只有 10% 的阳光照射到太阳能电池上被转化为电能。 因此，研究人员着手探索新型受体层，以此作为提高 OSC 效率的手段。

非富勒烯受体 (NFA) 的开发使 OSC 能够实现更高效率的突破。 有了 NFA，OSC 的效率急剧提高—— 高达18％ 在短短几年内。 这使 OSC 处于低端 市售硅太阳能电池的平均效率为 18% 至 22%. 这种效率的提升超出了许多专家的预期，其中一些人在 OSC 的效率仅徘徊在 3% 左右时就开始在该领域工作。 “如果 10 年前你告诉我我们将拥有 18% 效率的有机太阳能电池，我会笑的，”Marder 说。  

需要克服的障碍

在 OSC 广泛上市之前，还有很多工作要做。 最大的挑战之一是制造过程中使用的溶剂。 大多数性能最好的 OSC 是使用氯化溶剂制成的，这些溶剂对健康和环境都有危害。 “在扩大 OSC 制造规模时，您必须考虑将在制造工厂工作的人员的暴露程度，”佐治亚理工学院电气和计算机工程教授 Bernard Kippelen 说。 迄今为止的研究主要集中在获得越来越高的效率上，但正如 Kippelen 所说，“我们需要一种远远超出一个数字的方法。” 为了使 OSC 成为一种可行的技术，必须优化制造过程，使其更安全、更具成本效益。

大规模生产 OSC 的另一个障碍是在理想实验室条件下测试的单个电池的效率与已证明的更大模块的效率之间的差异。 单个电池可以具有高效率，但将多个电池组装成模块、面板或阵列需要额外的电气连接，这会降低效率。 然而，正如 Kippelen 指出的那样，这些差异是意料之中的。 “电池效率的提高需要一段时间才能反映在下线模块的效率上，”他说。 “硅太阳能电池也是如此。”

为 OSC 研究提供资金是另一个问题。 在美国，太阳能电池研究的大部分资金来自政府机构，例如能源部。 然而，根据 Kippelen 的说法，“许多资金来源在 OSC 研究上都枯竭了”，因为出现了一种快速扩展的太阳能电池类别，称为 钙钛矿. “钙钛矿的使用引起了很多兴奋，因为在某些情况下它们的效率甚至高于硅，”Kippelen 说。 然而，尽管美国对 OSC 的资金减少了，但中国继续引领 OSC 的研究和开发。 “美国 [OSC 研究] 的工作量只是中国工作量的一小部分，”Marder 说。 “中国人对此正在全力以赴。” 

乐观的理由

未来世界能源消费将继续上升，特别是在发展中国家渴望与发达国家享有的按需能源生产相同的好处时。 Marder、Kippelen、Jeffries-EL 和 So 等研究人员表示，OSC 技术有可能在全球向可再生能源转型中发挥独特而重要的作用。 最近 OSC 效率提高到 18%，许多研究人员致力于推进这项技术，科学家们现在正在研究串联 OSC（它使用两种不同的材料来吸收不同波长的阳光）来捕获更多的能量。 有些人希望这种发展可以进一步提高 OSC 的效率——高达 20%。

Kippelen 呼吁从长远角度看待 OSC 技术。 “太阳能技术将存在很长时间，”他说，“我真的相信 OSC，随着时间的推移，将成为一项非常重要的技术。”

关于作者

 Kellie Stellmach 是一名攻读博士学位的研究生。 佐治亚理工学院化学博士。 她热衷于开发新的有机材料以应对环境和可持续性挑战。 她目前的研究重点是合成具有可回收材料潜在应用的低天花板温度聚合物。

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这篇文章最初出现在 Ensia