聚合物太阳能电池技术的能源转化效率低原因的研究

据《科学日报》近日报道，一组来自北卡罗来纳州州立大学和英国的研究人员发现，聚合物太阳能电池技术的能源转化效率低是由太阳能电池自身的构造造成的。他们希望其研究成果能够帮助生产更高效的太阳能电池。该研究结果刊登在了《先进功能材料和纳米文学》网络版上。

聚合物太阳能电池所使用的原料多为塑料包装材料、管道、家庭用品和玩具等。聚合太阳能电池的工作原理是利用有机化合物从阳光产生电能。当固定波长的阳光照射在太阳能电池的半导体材料上时，它产生电子和带正电的空洞。为了产生外部电流，必须将电子与空洞分离，从而使电子能够跑出。聚合物太阳能电池的活跃层由两种材料构成，一种能够传导空洞，一种能够传导电子。理想状态下接受电子的聚合物要置于贡献电子的聚合物之上，使其接近阴极，从而使得尽可能多的电子能够跑出。

虽然，聚合物太阳能电池在将太阳光转化为电能方面没有硅电池高效，只有3%左右，而现有太阳能技术的光电转化率则达到了15%-20%，但是，它们质量更轻且价格低廉，因此应用也非常广泛。然而，聚合物太阳能电池存在挑战，因为如果这些聚合物在纳米级别没有排列得很好，电子就不能跑出电池，产生电流。

研究人员物理学教授哈拉尔德.爱德博士称：“太阳能电池应该足够厚，这样有利于更多地吸取太阳光中的光子，但其内部构造应该足够小，以获取更多的能量——也就是说，激发性电子能够抵达电荷分离、能量转化的地点。”他还进一步解释称，太阳能电池获取到光子，但是如果激发性电子离得太远，且两个不同塑料材质的界面又太粗糙的话，就会造成电荷分离的效率不高，因此造成能量的损失。

为使太阳能电池的转化效率更高，爱德称：“吸收光子的涂层的厚度应该为150-200纳米（1纳米约等于人类发丝宽度的1/1000），激发性电子距电荷分离地点的行程应为10纳米。但聚合物太阳能电池目前的构造阻碍了这一进程，在我们所研究的聚合物系统中，激发性电子的最短行程是80纳米，且两种塑料导体间的接触面结合得并不严密，这就使得激发性电子或电荷卡在这里。因此，我们需要找到并制造内部结构更小、且接触面更严密的聚合物太阳能电池的方法。”

与此同时，爱德及其研究小组也在对其他不同类型的聚合物太阳能电池进行研究，看其转化效率低是否同属一个构造问题，希望其研究数据能够帮助化学家和制造商提高能效。“现在我们明白为何现存的技术不能像预期的那般奏效，下一步我们将进一步提高我们的研究，提高光电转换效率水平，最后将据此设定我们研究和制造的方向。”

据悉，该研究由美国能源部以及英国工程和物理学研究委员会资助。