能(neng)(neng)源問題困(kun)擾大(da)眾已久，取之(zhi)不盡用之(zhi)不竭(jie)的太陽(yang)光(guang)成為最好的選擇，太陽(yang)能(neng)(neng)電池的未(wei)來市場極為廣泛。

是把太陽能(neng)轉化(hua)為電(dian)(dian)能(neng)的(de)重要裝置，其光電(dian)(dian)轉化(hua)效率(lv)和穩定性成(cheng)為業內關注的(de)焦點。日前，澳大利(li)亞昆士蘭(lan)大學教授王連(lian)洲課題組基于近些年(nian)在太陽能(neng)電(dian)(dian)池、快充型儲(chu)能(neng)電(dian)(dian)池和領域(yu)的(de)新探索，在《儲(chu)能(neng)材料》上發表了一篇題為《柔性太陽能(neng)充電(dian)(dian)系統》的(de)綜述(shu)。

在國(guo)內，中國(guo)科學院(yuan)院(yuan)士李永舫自2000年開始從事(shi)共軛(e)高分子轉(zhuan)入有(you)機聚(ju)合(he)物太(tai)陽(yang)能(neng)電池(chi)的研究。他告訴《中國(guo)科學報(bao)》：“有(you)機聚(ju)合(he)物太(tai)陽(yang)能(neng)電池(chi)與傳統(tong)硅(gui)基太(tai)陽(yang)能(neng)電池(chi)相比(bi)，最大的特點是可(ke)以做成柔(rou)性和(he)半透明，整體耗能(neng)低很多(duo)。”

尋找電池器件材料

20世紀50年代，太陽(yang)(yang)能電池(chi)開始興起并發展至今，現在應(ying)用比較普遍的是硅(gui)基太陽(yang)(yang)能電池(chi)。此外，還有無機(ji)半(ban)導(dao)體薄(bo)膜太陽(yang)(yang)能電池(chi)、染料敏化太陽(yang)(yang)能電池(chi)、鈣鈦礦太陽(yang)(yang)能電池(chi)、有機(ji)聚合物太陽(yang)(yang)能電池(chi)等。

李永舫以(yi)硅(gui)基(ji)太陽(yang)能電池為例(li)介紹道，硅(gui)基(ji)太陽(yang)能電池在(zai)生(sheng)產過(guo)程(cheng)中耗(hao)能較高，尤(you)其是原材料(liao)的支配，以(yi)及硅(gui)要達到99.9999%純化，這個純化過(guo)程(cheng)也需(xu)要耗(hao)能。

他說(shuo)：“硅(gui)基(ji)太陽能(neng)(neng)電池(chi)要使(shi)(shi)用(yong)6～7年(nian)(nian)才能(neng)(neng)把生(sheng)產過程中(zhong)的(de)耗(hao)能(neng)(neng)收(shou)回來，而(er)有機聚(ju)合物太陽能(neng)(neng)電池(chi)的(de)能(neng)(neng)耗(hao)大(da)概(gai)一年(nian)(nian)左右就可以(yi)收(shou)回，但存在(zai)穩定性問題，導致(zhi)使(shi)(shi)用(yong)壽命(ming)不長，反觀(guan)硅(gui)基(ji)太陽能(neng)(neng)電池(chi)使(shi)(shi)用(yong)壽命(ming)可達20年(nian)(nian)。

不同太(tai)陽(yang)能電(dian)池結構(gou)(gou)(gou)不一樣，比如有(you)機(ji)(ji)(ji)聚合物(wu)太(tai)陽(yang)能電(dian)池的有(you)機(ji)(ji)(ji)光(guang)敏(min)帶由P型(xing)有(you)機(ji)(ji)(ji)半(ban)(ban)導(dao)(dao)體(ti)（容易(yi)給出電(dian)子）構(gou)(gou)(gou)成(cheng)的給體(ti)、N型(xing)半(ban)(ban)導(dao)(dao)體(ti)（容易(yi)接收電(dian)子）構(gou)(gou)(gou)成(cheng)的受體(ti)組成(cheng)，形成(cheng)很(hen)薄的柔(rou)性(xing)(xing)活性(xing)(xing)層，在(zai)外電(dian)路接通(tong)下產生光(guang)電(dian)流(liu)。鈣鈦(tai)(tai)礦太(tai)陽(yang)能電(dian)池與有(you)機(ji)(ji)(ji)聚合物(wu)太(tai)陽(yang)能電(dian)池類似，具有(you)三明治(zhi)結構(gou)(gou)(gou)，主要(yao)的不同在(zai)于光(guang)敏(min)層，它是有(you)機(ji)(ji)(ji)無機(ji)(ji)(ji)雜化構(gou)(gou)(gou)成(cheng)的鈣鈦(tai)(tai)礦結構(gou)(gou)(gou)。

2017年，英國、意大利(li)、西班牙(ya)等7個國家(jia)的15家(jia)企業研究機構組(zu)成歐洲Powerweave研發團(tuan)隊，開(kai)展基于(yu)染料敏化(hua)纖維材(cai)(cai)料太陽能光伏電(dian)池技(ji)術(shu)和電(dian)能儲存纖維材(cai)(cai)料薄膜蓄電(dian)池技(ji)術(shu)的有機組(zu)合的原(yuan)位集成技(ji)術(shu)研究。

來(lai)自中(zhong)國科學院寧波材料(liao)技術與工(gong)程(cheng)研究所研究員葛(ge)子義團(tuan)隊發現，當前大多數有機太陽能電池(chi)的研究結果都是基(ji)于剛性的氧化錫（ITO）玻璃基(ji)板。然而，ITO在塑料(liao)基(ji)板上存在導電性差(cha)和機械脆(cui)性等問題(ti)，另外ITO通常在高(gao)溫(wen)下通過真空(kong)濺射進行加工(gong)，這使得其(qi)價格昂貴，不(bu)利于采用(yong)大面積印刷(shua)和卷(juan)(juan)對卷(juan)(juan)來(lai)制備(bei)。

為此，葛子(zi)義團(tuan)隊開發了低溫酸處理PEDOT/PSS電(dian)極替代需要高溫濺(jian)射且昂貴(gui)的(de)(de)ITO電(dian)極。團(tuan)隊稱，這(zhe)類全溶(rong)液加工(gong)(gong)的(de)(de)柔(rou)(rou)性(xing)有(you)機太(tai)陽能電(dian)池非(fei)常符合卷(juan)對(dui)卷(juan)印刷和刮(gua)涂等大面(mian)積制(zhi)備(bei)工(gong)(gong)藝(yi)的(de)(de)技術要求，為有(you)機太(tai)陽能電(dian)池低成本柔(rou)(rou)性(xing)化制(zhi)備(bei)提供了重要的(de)(de)參考途徑。

提升光電轉換效率

葛子義(yi)團隊利用全溶液加(jia)工技(ji)術(shu)，采(cai)用PBDB-T和IT-M非富勒(le)烯活性層，制備(bei)了(le)全濕(shi)法加(jia)工非ITO的單結(jie)柔性有(you)機太陽(yang)能(neng)電池(chi)，電池(chi)的能(neng)量轉換效率(lv)達(da)到10.12%。

2019年(nian)11月，陳永勝團(tuan)(tuan)隊在《自然—電子(zi)學》發表(biao)文章，介(jie)紹了團(tuan)(tuan)隊制備(bei)出(chu)同(tong)時具有高(gao)(gao)導電、高(gao)(gao)透(tou)光(guang)(guang)且低表(biao)面粗糙度的(de)銀(yin)納米線(xian)柔(rou)(rou)性透(tou)明電極，將其用于構筑柔(rou)(rou)性有機(ji)太陽(yang)能電池，與使(shi)用商業(ye)氧化(hua)銦錫玻璃電極的(de)器件性能相當，光(guang)(guang)電轉化(hua)效率(lv)可(ke)達16.5%，刷新了當時文獻報(bao)道(dao)的(de)柔(rou)(rou)性有機(ji)/高(gao)(gao)分(fen)子(zi)太陽(yang)能電池光(guang)(guang)電轉化(hua)效率(lv)的(de)最高(gao)(gao)紀錄。

有機聚合(he)物太(tai)陽能電池的研究(jiu)(jiu)興起于(yu)20世(shi)紀60年代，當(dang)時(shi)的轉換(huan)效率(lv)非常(chang)低。李永舫最開始研究(jiu)(jiu)有機聚合(he)物太(tai)陽能電池時(shi)由于(yu)條件不太(tai)好，效率(lv)也一(yi)直不高(gao)。2004年前后(hou)，李永舫團隊(dui)開始思(si)考如何(he)提(ti)高(gao)材料的光電轉換(huan)效率(lv)。

“太陽能轉化(hua)成電(dian)能，首先要求光(guang)伏材(cai)料(liao)(liao)(liao)對光(guang)有(you)較寬和強的吸收，另外給(gei)體材(cai)料(liao)(liao)(liao)要有(you)高的空穴遷(qian)移(yi)率，受體材(cai)料(liao)(liao)(liao)要有(you)高的電(dian)子遷(qian)移(yi)率。”李永舫(fang)回憶道，“我(wo)們當年選擇了(le)富勒(le)烯衍生物受體，其電(dian)子遷(qian)移(yi)率較高，隨后我(wo)們的關注點轉到給(gei)體材(cai)料(liao)(liao)(liao)。”

“我們那個時候就想到(dao)了(le)共軛(e)(e)側(ce)鏈這個概(gai)念。”李永舫解釋道，“由于共軛(e)(e)高(gao)峰(feng)的(de)主鏈傳(chuan)輸(shu)很(hen)快，有了(le)共軛(e)(e)側(ce)鏈就像搭(da)了(le)座橋，使(shi)電荷(he)在這條共軛(e)(e)側(ce)鏈上傳(chuan)輸(shu)也比較快，提(ti)高(gao)空穴遷移率，進(jin)而提(ti)升光伏性能。”

近年來，提(ti)升材料光電(dian)(dian)轉化效(xiao)率(lv)已成為太陽能(neng)電(dian)(dian)池(chi)的(de)主流(liu)研(yan)究方(fang)向。南(nan)開大(da)學化學學院教授陳永勝(sheng)在柔性(xing)透(tou)(tou)明電(dian)(dian)極與(yu)柔性(xing)有機(ji)太陽能(neng)電(dian)(dian)池(chi)領域(yu)研(yan)究中發現，獲得高(gao)性(xing)能(neng)的(de)柔性(xing)透(tou)(tou)明電(dian)(dian)極是研(yan)發高(gao)效(xiao)柔性(xing)有機(ji)光電(dian)(dian)器件的(de)前提(ti)，也是目前該領域(yu)的(de)核心難(nan)題(ti)。“因此(ci)，如何獲得同(tong)時具(ju)有高(gao)導電(dian)(dian)、高(gao)透(tou)(tou)光、低表面粗糙度(du)以及制(zhi)備方(fang)法簡(jian)單、綠色的(de)柔性(xing)透(tou)(tou)明電(dian)(dian)極，是一項(xiang)巨大(da)的(de)挑戰。”

多領域的潛在應用

王連(lian)洲團隊在綜述文章里指(zhi)出，由于太陽(yang)光自身(shen)的(de)強度不穩定性以及間歇性，促使該(gai)領(ling)域的(de)科(ke)研人員進一步探索光伏(fu)能(neng)(neng)源(yuan)生成(cheng)與儲(chu)存的(de)集成(cheng)系統，促進了太陽(yang)能(neng)(neng)充電儲(chu)能(neng)(neng)系統的(de)發展。

南京工業大學先(xian)進材料研究院教授(shou)陳永(yong)華(hua)告訴(su)《中國(guo)科(ke)學報》：“太陽能(neng)充電(dian)(dian)儲能(neng)系統(tong)比較適合應用于物聯網(wang)和(he)人機互動等領域，前提是需要提升光(guang)電(dian)(dian)轉換(huan)和(he)存儲效(xiao)率。”此(ci)前，陳永(yong)華(hua)團隊(dui)尋找并(bing)設計出能(neng)夠穩(wen)定鈣鈦礦結構(gou)的有(you)機胺分子，制備出的層狀(zhuang)鈣鈦礦太陽能(neng)電(dian)(dian)池(chi)光(guang)電(dian)(dian)轉換(huan)效(xiao)率得到明顯提升。

王連洲團隊表示，相比于傳統的剛性(xing)器件(jian)，柔性(xing)薄膜(mo)太陽能電池因低溫制備(bei)及(ji)易實現(xian)(xian)的面(mian)板安裝技術而大(da)大(da)降低了成本。此外，將柔性(xing)的薄膜(mo)光伏系(xi)統與儲能系(xi)統結合起來(lai)，不(bu)僅(jin)可以實現(xian)(xian)便(bian)攜(xie)可穿戴設備(bei)的無(wu)線充電，還(huan)可以極(ji)大(da)地提高電池的工作時(shi)長，實現(xian)(xian)更為廣泛、精(jing)細(xi)的應用。

中國科學院電工(gong)研(yan)究(jiu)所(suo)副研(yan)究(jiu)員原(yuan)郭豐向《中國科學報(bao)》介紹道，柔性(xing)太陽能光伏(fu)發(fa)電與儲存(cun)一(yi)體化技(ji)術，具有明顯(xian)的表面結構(gou)適應(ying)性(xing)強(qiang)、易(yi)彎曲、重量輕、無需(xu)額外安(an)裝費用(yong)等(deng)優(you)勢(shi)，可靈活應(ying)用(yong)于服飾(shi)、戶外裝備(bei)、建筑物、交通(tong)運輸工(gong)具、電子設備(bei)等(deng)需(xu)要(yao)遮(zhe)陽及復雜結構(gou)的物體外表面，也(ye)可以作為光伏(fu)發(fa)電儲存(cun)一(yi)體化系(xi)統進(jin)行使用(yong)。

原郭豐還指出(chu)：“柔性太陽能(neng)光伏發電與(yu)儲存一體化(hua)技術仍然面(mian)臨材料的制備及其穩定性、復(fu)雜(za)條件下(xia)材料壽命、光電轉化(hua)效率(lv)、充(chong)放(fang)電效率(lv)、安全性以及成本等諸多問題。”

萊(lai)科(ke)斯（LAILX）致(zhi)力于光(guang)伏檢(jian)(jian)(jian)測(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)設備(bei)的研發與生產，現(xian)有設備(bei)包括 EL檢(jian)(jian)(jian)測(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)系(xi)(xi)列，便攜式(shi)EL檢(jian)(jian)(jian)測(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)儀(yi)，組串式(shi)EL檢(jian)(jian)(jian)測(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)儀(yi)，無人機EL測(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)試(shi)(shi)儀(yi)，IV功率測(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)試(shi)(shi)系(xi)(xi)列，便攜式(shi)IV測(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)試(shi)(shi)儀(yi)，電能質量分析儀(yi)，等相關光(guang)伏電站檢(jian)(jian)(jian)測(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)設備(bei)與光(guang)伏產線實驗室檢(jian)(jian)(jian)測(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)設備(bei)。