微米级“耙子”可让太阳能电池转换率倍增

混合供体（donor）聚合物与受体（acceptor）的许多聚合物组合可用于形成一个完整的塑料太阳能电池。遗憾的是，有些最佳组合往往因为聚集在一起而减少了电子转移时的表面积从供体（转移电子）到受体（让太阳能电池中的电子通过，传送至到太阳供电的装置）。然而，透过一个微米级的耙子即可排解这些聚集，并形成纳米级晶体，使得表面积倍增，从而提高2倍的输出功率。

美国斯坦福大学（StanfordUniversity）材料与能源科学研究所（SIMES）将这一过程称为流体强化晶体工程（FLUENCE）。

我们分别使用了供体和受体聚合物材料即全聚合物太阳能电池，在涂布期间利用微米级耙子爬梳，可使所用的模型系统效率倍增，SIMES成员之一的华裔教授鲍哲南表示。

现在一般都会为全塑料太阳能电池选择使用聚合物，因为聚合物较不会聚集，即使出现的激子也很少会是易于聚集的聚合物。然而，利用这种FLUENCE技术，可让太阳能电池利用聚合物实现聚光功能每个光单位所出现的激子（电子/电洞对），从而优化转换效率，使其输出功率较传统的涂布方式新增一倍。

柱状竖立的1微米间距流体强化晶体工程或FLUENCE耙子的扫描电子显微镜（SEM）图

这种微米级的耙子可加以调谐而与现存的聚合物配方共同作业。然而，根据所使用的聚合物系统，耙子的效应也有所差异，但在聚合物倾向于聚集成一大块的情况下最有效。它可利用显微级的耙子使其分散成小块，实现更加有效率的激子解离，鲍哲南说。

目前，这些经概念验证的耙子实验正以十分缓慢的速度进行每小时约3.5-14.2英吋，与塑料太阳能电池实现最经济生产要每小时50英哩的高速卷对卷（R2R）工艺相距甚远。然而，研究员们并不担心提高速度的挑战，他们表示，这只要优化参数即可这包括从选择不同溶剂类型到改变工艺温度，以便使FLUENCE工艺提升到更高速的制造。

我认为，为了落实这种微米级耙子的优点，选择合适的溶剂和温度十分重要，鲍哲南表示。

据鲍哲南解释，过去一般采用显微级直刀来瓦解这些聚集块，但微型耙子的效率更高18%，加上它还能制造商进一步提高全塑料太阳能电池的生产效率。事实上，研究人员们十分看好这种FLUENCE工艺，可让塑料太阳能电池只要一小部份的制造成本，就能展现超越硅晶太阳能电池的效率。

流体强化晶体工程（FLUENCE）解决方法

美国国家加速器实验室（SLAC）的斯坦福同步辐射光源（SSRL）部门负责人MikeToney利用X射线衍射测量FLUENCE可分开供体与受体纳米级晶体的程度，也为这项研究带来贡献。此外，美国罗伦斯柏克莱国家实验室（LBNL）的先进光源（ALS）则用于表微这项技术。

微米级粑子以1.2微米间距封装，高度约1.5微米。斯坦福大学研究研究员YanZhou为供体与受体晶体之间表征优化距离使其接近到足以实现快速的电子转移，但又不至于太接近让受体可在采集到电力后才传回电子。

其他有助于实现这项计划的还包括前SLAC科学家StefanMannsfeld（现为德国Dresden工业大学教授）、前SIMES博士后研究员YingDiao（现任伊利诺大学教授），以及来自ALS、北京大学与韩国成均馆大学的科学家群。

美国能源部（DoE）的BRIDGE研究计划、SLAC的指导研究和开发计划实验室与国家加速器实验室、SIMES以及斯坦福大学均为这项供应赞助资金。