荷蘭研發新型有機太陽能電池 有望代替傳統型

【2023年05月12日訊】(大紀元專題部記者吳瑞昌編譯報導)由於傳統硅基太陽能電池笨重和昂貴,因此輕量和便宜的有機太陽能電池成為人們的首選,但該種太陽能電池容易發生損毀。近期,荷蘭一所大學發明了一種光電轉換效率超過17%的有機太陽能電池,且不容易損毀,有望代替傳統的太陽能電池。

荷蘭格羅寧根大學(University of Groningen)團隊使用原子層沉積(ALD)方式製造出二氧化錫(SnO2)導電層,使有機太陽能電池(NFA-OSC)的光電轉換效率超過17%。該論文今年3月底發表在《先進材料》(Advanced Materials)雜誌上,格羅寧根大學也對此做了報導。

原子層沉積法是一種工業級技術,可以將物質以單原子膜的形式,一層一層的基底鍍在需要的表面上,該方法也可應用於晶圓上。

有機太陽能電池的運作方式,是將太陽光透過聚合物和小分子轉化為電能。該種電池由不同層的薄膜製成,每一層都有自己的特性並堆疊在基板上,但最重要的是將光轉化為電荷,並讓電荷和電子在光敏層(發光層)發生作用,從而產生電流,並將電流儲存起來,或直接轉換成動力。

過往,有機太陽能電池使用的電子傳輸層(ETL)是金屬氧化鋅(ZnO),優點在於相對容易製造、傳輸性能佳,且產生效率高,但缺點是氧化鋅暴露在陽光(紫外線)下時,光穩定性差,容易被光線分解,大大縮減有機太陽能電池的壽命。

因此人們使用二氧化錫代替氧化鋅的材料。氧化錫比氧化鋅能提供更高的電子遷移率(金屬或半導體內部電子在電場作用下的移動速率)和穩定的化學性,且不容易被紫外線分解。

不過,使用「納米粒子的膠體分散法」做出的二氧化錫薄膜,需要通過特殊溶液處理獲得,導致成本過高,同時添加劑容易殘留在薄膜中,導致該種材料做出的有機太陽能電池的性能和穩定性較差。

這次,由瑪麗亞‧安東尼塔‧洛伊(Maria Antonietta Loi)教授領導的格羅寧根大學團隊,使用原子層沉積技術,做出卓越的二氧化錫薄膜,用於電子傳輸層,不僅效果好,還能避免溶液處理產生的問題,同時減少額外的步驟。二氧化錫薄膜在電子傳輸層的性能被強化。

研究團隊分別在80°C、140°C和200°C溫度下使用原子層沉積技術對二氧化錫進行薄膜沉積,最後沉積的薄膜不僅沉積層緻密、品質佳,還克服過往薄膜存在的弱點。

研究人員還發現,在140°C和200°C溫度下沉積出來的二氧化錫薄膜的導電率比80°C的高,但材料透明度比80°C時低。由於材料透明度會影響光線的穿透,從而影響光電的轉換率,因此最後折衷使用140°C作為膜沉積的溫度。

實驗證明,使用納米粒子的膠體分散方法做出的二氧化錫薄膜和氧化鋅薄膜的光電轉換效率,分別是16.03%和16.84%。

另外,使用原子層沉積法做出的二氧化錫薄膜的光電轉換效率是17.26%,比其它兩種更加穩定;暴露於光(包括紫外線)50小時後保留初始太陽能電池品質值(FF值)為84%,而使用氧化鋅的FF值僅63%。

該大學光物理和光電子學組的博士生大衛‧加西亞‧羅梅羅(David Garcia Romero)對格羅寧根大學新聞社表示,「我們使用了原子層沉積法,這是一種在有機光伏領域很長時間沒有使用過的技術。這種方法可以製出質量卓越的薄膜,未來可以擴展到工業製程上。」

他還表示,「我們的目標是提高有機太陽能電池的效率,並使用可擴展的方法。同時我們將會繼續優化有機太陽能電池其它的薄膜層,但立即投入工業中使用還言之過早,需要先做更多的研究。我們希望原子層沉積的方法,能夠幫助該領域的其他人進行研究。」

洛伊教授補充表示,「使用原子層沉積法的二氧化錫薄膜,為有機太陽能電池跨出一大步,預計這種電池的使用方式,會與傳統的太陽能面板截然不同。」

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