曹镛院士团队瞄准聚合物太阳电池能量转换效率项目研究水平世界领先

文/冯海波

曹镛院士团队瞄准聚合物太阳电池能量转换效率项目研究水平世界领先

文/冯海波

聚合物太阳电池是一种新型光伏器件，具有制备成本低、重量轻、可制备成柔性器件等优点，与无机半导体太阳电池有很强的互补性。为解决制约聚合物太阳电池能量转换效率不高的问题，中国科学院院士、华南理工大学曹镛教授带领团队从材料和器件两方面提出了原创性的新策略，并取得了重大的研究进展，多次在文献中公开报道该项目研究成果，引领该领域研究水平不断攀升。其成果“实现高效率有机太阳电池的新型聚合物材料及器件结构”也荣获2015年度国家自然科学二等奖。

新型聚合物太阳电池是当前研究热点

据了解，近十几年来，高分子光电材料与器件处于高速发展时期，在平板显示、节能照明、新型太阳电池等领域都有广泛的应用前景。随着发光材料和显示屏技术的不断进步，显示材料和制备技术快速发展，接近产业化，受到市场、企业以及政府部门的高度重视和大力推动。作为一种新型的光伏器件，聚合物太阳电池近年来也在国际上引起了广泛的关注，是当今科技界的一个研究热点。

据团队成员、华南理工大学教授吴宏滨介绍，聚合物太阳电池是指以共轭聚合物（高分子）半导体材料为核心组成的一种新型的太阳电池，具有重量轻，材料来源丰富、价格低廉，分子结构设计灵活，可通过印刷技术大面积制备以及不需要高温制备工艺等诸多优点。作为一种有潜力的低成本可再生能源技术，聚合物太阳电池在太阳能发电、野外便携式充电器、太阳能电动交通工具、发电式建筑外墙等方面具有广阔的应用前景。前期的研究成果表明，这种太阳电池的能量转化效率可超过8% 但是如果要大规模生产和应用，还需要进一步大幅提高其能量转换效率，并在此基础上进行大面积模组制备工艺及光照下长期稳定性的研究。

在材料和器件上实现原始创新

团队成员表示，聚合物太阳电池综合了共轭有机小分子/聚合物所兼备的优良半导体特性和机械加工特性，使得人们可在室温下以配制溶液，然后通过旋转涂膜、喷涂等成膜，或者用滚筒印刷，喷墨打印的方式制备质量轻、柔性好、成本低廉的大面积太阳电池。团队经过研究发现，器件光活性层的聚集形态及其带尾态对聚合物太阳电池的开路电压有重要影响，并且可以通过调控活性层的组分和微纳分相，实现对带尾态的控制，在此基础上实现开路电压和器件综合性能的同步提高。

研究团队在华南理工大学高分子光电材料与器件研究所首创具有自主知识产权的水/醇溶性聚合物太阳电池界面调控材料与技术的基础上，通过协同创新，实现了器件效率的新突破。研究人员通过在氧化铟锡表面引入水（醇）溶性共轭聚合物，制备出可高效收集光生载流子的阴极，从而设计并实现了一种高效、新颖的倒置结构聚合物太阳电池。该器件结构可有效增强入射太阳光的吸收，因而可有效提高器件的短路电流等关键性能指标，并实现了9.214%的能量转换效率，这一效率得到国家光伏质检中心的独立认证。研究成果在国际著名学术 杂 志 《 Nature Photonics》（《自然·光子学》）上发表，并被该期杂志选为研究亮点。研究表明，小面积聚合物太阳电池的实验室效率已经十分接近非晶硅太阳电池的水平，通过进一步进行大面积电池均匀性研究和提高能量转换效率以及加强长期室外稳定性的研究，有可能具有规模化生产和应用的前景，是一类值得大力支持发展的薄膜太阳电池。

曹镛院士团队研制的聚合物太阳电池器件

成果曾获“中国科学十大进展”

团队设计并合成了新型聚合物太阳电池材料，探索增强聚合物太阳电池的开路电压以及整体性能的新方法，提出了一种新的器件结构。其研制的装置可以同时提供实现高效光生载流子收集的欧姆接触以及最优的太阳光子利用。由于他们提出的器件结构可方便利用并能大幅度提高能量转化效率，所以这一发现还可为其他材料体系所借鉴。吴宏滨教授表示，制约聚合物太阳电池大规模应用的关键瓶颈——光电转换效率偏低的问题已经取得突破性进展，“聚合物太阳电池能量转换效率的不断提高主要来源于两方面的贡献:其一是很多新型、高性能的光伏活性材料的成功研发；其二是新型器件结构及新的器件优化方法的进步”。由此，聚合物太阳电池的实验室能量转换效率已经从2001年的2%提高到目前的10%左右，已具备便携式能源的开发价值。

项目实施过程中，发表SCI论文120篇，8篇代表论文被他人引用2300余次，单篇最高SCI他引1100余次；成果中有2篇论文被评为2011年度和2012年度“中国百篇最具影响国际学术论文”；已获发明专利授权7项。此前，团队利用一种倒置结构实现了能量转换效率达到9.214%的聚合物太阳电池，刷新了同行评审的科学文献报道中单结聚合物异质结太阳电池能量转换效率的世界最好水平，由此入选科技部基础研究管理中心发布的2012年度“中国科学十大进展”。同时，相关成果也曾获得2014年度高等学校科学研究优秀成果奖（科学技术）自然科学奖一等奖。