聚合物太阳能电池具有价格低廉、重量轻的潜力，但科学家们正在努力使其高效发电。

聚合物是一种大分子，可以构成塑料和其他常见材料。

“这个领域还相当不成熟——它还处于起步阶段，”芝加哥大学化学系教授余鲁平说。

现在，由余教授领导的研究团队发现了一种新型聚合物，这种聚合物可以让电荷更容易地在细胞内移动，从而提高发电量。

“聚合物太阳能电池具有巨大的潜力，能够提供低成本、轻便且柔性的电子设备来收集太阳能，”化学系研究生、该期刊论文的第一作者卢瑶说道。 自然光子学“ 这描述了结果。

这种太阳能电池的活性区域由多种聚合物混合而成，这些聚合物在光照下能够释放和接收电子，从而产生电流。余教授团队开发的新型聚合物PID2，添加到标准聚合物-富勒烯混合物中后，可将发电效率提高15%。

“富勒烯是一种小型碳分子，是聚合物太阳能电池中使用的标准材料之一，”卢说。“基本上，在聚合物太阳能电池中，我们使用聚合物作为电子供体，富勒烯作为电子受体，从而实现电荷分离。”

研究人员在器件中添加了另一种聚合物，从而制成了含有两种聚合物和一种富勒烯的太阳能电池。

效率 8.2%

当添加最佳量的 PID2 时，该团队实现了 8.2% 的效率——这是由两种富勒烯聚合物组成的太阳能电池迄今为止的最高效率——这一结果表明，通过进一步的研究，效率可能会更高。

该团队包括来自阿贡国家实验室的研究人员，他们目前正致力于将效率提升至 10%，这是聚合物太阳能电池实现商业应用所必需的基准。

余教授指出，这一成果之所以显著，不仅在于技术能力的提升，更在于PID2采用了一种全新的方法来提高效率。通常情况下，利用第三种聚合物提高效率的机制是通过增加器件的光吸收率。

服务流程

但除了这种效果之外，研究团队还发现，当添加 PID2 时，电荷更容易在聚合物之间以及整个细胞内传输。

为了使太阳能电池产生电流，电子必须从聚合物转移到器件内部的富勒烯。但是，标准聚合物-富勒烯体系中电子能级的差异很大，导致电子转移困难。PID2的能级介于其他两种体系之间，因此可以作为这一过程的中间体。

“这就像一个台阶，”余先生说。“台阶太高的话，爬上去很困难；但如果在中间再加一个台阶，就可以轻松走上去了。”

添加PID2后，聚合物混合物形成纤维，从而提高了材料内部电子的迁移率。这些纤维如同通道，使电子能够到达太阳能电池侧面的电极。

“这就像你创造了一条街道，沿着这条街道行走的人可以找到从这一端到另一端的路，”余解释说。

为了揭示这种结构，阿贡国家实验室材料科学部和分子工程研究所的魏晨利用阿贡的先进光子源和劳伦斯伯克利的先进光源进行了 X 射线散射研究。

“如果没有这些信息，就很难了解结构，”余说。“这对我们大有裨益。”

陈补充道：“这些知识将为开发高效有机光伏器件奠定基础，以满足国家未来的能源需求。”

来源: University of Chicago
原始研究

关于作者

艾米莉·康诺弗是一位科学作家，专长于物理学和天文学。她为芝加哥大学新闻办公室撰稿，并运营着自己的个人科学博客“弱相互作用”，同时她也承接自由科学或技术写作项目。

信息披露声明：该研究由美国国家科学基金会、空军科学研究办公室和美国能源部资助。

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