有机光伏:轻质、柔性、透明太阳能电池之路

大阪Itaru与有机光电的故事开始于他在日本筑波大学白川秀树研究小组的博士研究生时期。在20世纪70年代，白川和美国科学家艾伦·Heeger和艾伦·麦克迪亚米德一起发现了一种制造导电塑料的方法，这一发现为他们赢得了2000年的诺贝尔化学奖。

如今，大阪直美在广岛大学有自己的研究小组，正在利用这些“共轭聚合物”制造碳基“有机”光伏电池。与典型的硅基电池相对笨重、坚硬且不透明相比，有机替代品具有足够的灵活性和透明度，可以放置在现有电池无法放置的地方，例如建筑物的墙壁、温室的玻璃上，甚至帐篷的侧面。

值得注意的是，它们的制造预计将比硅基光伏更便宜，消耗更少的能源。

有机物的回归

大阪说，有机光伏(OPV)的研究在2005年至2015年间蓬勃发展，但近年来人们的兴趣逐渐减弱，尤其是在工业领域。原因多种多样，但一些因素是缺乏资金，以及钙钛矿太阳能电池效率的提高，这也可以是灵活的。

大阪说:“我想说，回到这个领域，对口服脊髓灰质炎疫苗系统进行研究。”“这是一项非常重要的技术，与碳中和直接相关。”

大阪在广岛大学的实验室使用所谓的π共轭聚合物，这种聚合物可用于制造太阳能电池，将光转化为能量，类似于传统的太阳能电池，但由塑料而不是硅构成。

最初的π共轭聚合物是由Shirakawa团队发现的聚乙炔。塑料是聚合物，这意味着它们是由长链的重复分子组成的。π共轭聚合物由碳原子以单键和双键交替连接而成。含有电子的“π轨道”在双键上方形成，彼此重叠，连接单键碳原子。

在非常基本的水平上，当π轨道上的电子被“掺杂”去除时，相邻π轨道上的电子可以移动并释放其原始轨道上的空间。这种电子的运动产生了电流，从本质上把塑料变成了半导体材料。

互补硅电池

包括大阪的团队在内的研究人员正在基于这些π共轭聚合物制造有机太阳能电池。大阪解释说，其目的不是取代传统的硅基太阳能电池——后者在将阳光转化为能量方面的效率越来越高——而是在效率较低或使用起来太麻烦的情况下补充它们。

此外，制造这些太阳能电池所需的纯硅需要大量的能量和复杂的加工过程。为了解决这个问题，很多研究都集中在钙钛矿基太阳能电池上。钙钛矿是一种晶体材料，可以打印或涂在薄膜上。钙钛矿太阳能电池有望达到与硅基电池相当的效率，但它们含有有毒的铅。

因此，需要进一步的替代品，大阪说，用π共轭聚合物制成的opv是研究人员正在研究的领域之一。

为了制造基于π共轭聚合物的opv，大阪的团队使用了溶液处理，这类似于钙钛矿太阳能电池。与制造硅太阳能电池的热密集型工艺相比，溶液加工所需的能量要少得多。它导致聚合物薄膜的形成，可以印刷到柔性基材上。“这就是为什么有机太阳能电池可以非常灵活和轻便，”他解释说。

该团队使用π共轭聚合物作为OPV中的“p型”电子供体材料。为了在电极之间形成电流，他们将其与有机的、基于富勒烯的或最近非富勒烯的“n型”电子接受材料混合。

但大阪解释说，为了有效地工作，“面条状”π共轭聚合物需要更结晶。他的团队致力于寻找方法将它们拉直并堆叠起来，为电子迁移提供一个顺畅的通道。他们还专注于使p型和n型材料更容易混合。

大阪说:“同时达到高结晶度和高混相是非常困难的。”“但混相对于实现高功率转换效率非常重要。”

令人惊讶的应用程序

大阪说他的团队是独一无二的。与他一起工作的15名研究生和两名助理教授都有应用化学背景。他们不仅研究和操纵π共轭聚合物的分子结构，而且还用它们制造OPV器件。大阪说，这很难学会，但他认为，对他的团队来说，重要的是要同时做到这两点，以便对这一研究领域有很强的把握，并且当一些人转向学术界之外的工作时，也要对日本工业界产生积极的影响。

到目前为止，大阪的团队利用基于π共轭聚合物的opv实现了16-17%的效率。大阪说，所有实验室的最高效率都在18%左右。他的目标之一是在短期内提高opv的效率，最终超过目前在25%范围内的传统太阳能电池。他还想降低基于π共轭聚合物的opv的电压损失。

他的愿景是制造具有成本效益、重量轻、灵活、透明和高效的opv，可以放置在结构的外部。大阪说，当能量需要从太阳能场长距离传输到城市时，就会损失掉。但是想象一下，能够将透明的太阳能电池放置在农业温室的顶部、建筑物的侧面和窗户上，更接近需要它们的地方。

大阪进一步设想，opv可以放置在应急帐篷上，使自然灾害的受害者更容易获得电力，例如日本容易发生的地震和洪水。

基于共轭聚合物的opv有很大的前景。然而，大阪直美估计，将它们商业化将具有挑战性，至少还需要五年。尽管如此，他补充说，等待是值得的，它的潜力值得更多的研究关注，特别是来自工业的研究，以最终实现这一重要技术。