- 新技术使有机太阳能电池效率达到20.4%。
- 该技术引入中间层以增强稳定性和耐久性。
- 经过2,000小时运行，电池仍保留超过85%输出。
- 这一策略为有机光伏的商业未来提供了新途径。
一种全新的分子锁定策略有望克服有机太阳能电池（OSC）在效率、稳定性和可扩展性方面的挑战。有机太阳能电池提供轻便、灵活的碳基替代品，取代硅材料，并具备广泛的商业应用潜力。然而，这些电池的精细层通常在高温和持续阳光下迅速降解。来自中国科学院宁波材料技术与工程研究所（NIMTE）的研究团队致力于解决这一稳定性问题，采用了分子锁定策略，将精细的太阳能层牢固地固定在一起。
特别是，该策略引入了一层专门的中间层，将太阳能材料化学地固定在电极上。这一结构形成了强大的分子键结，增强了能量效率及长期耐久性，适用于大规模面板。
新技术提升效率与稳定性
根据研究论文所述，我们实现了 20.4%的小面积效率和 18.8%的活性面积模块效率。要理解这一发展，首先需要明白为何柔性太阳能电池会失败。有机太阳能电池通过超薄的自组装单分子膜（SAM）来获取阳光，这些膜铺设在透明电极上。电极与有机膜之间的连接非常滑。在高温和持续光照下，化学键会滑动并分离，导致层脱附，最终使电池失效。这对太阳能电池专家来说是一个三重困境：高效率、长期稳定性和商业可扩展性之间的最佳平衡。
到目前为止，优化其中一个指标通常意味着牺牲其他指标。
耐久性测试显示卓越表现
为了加强问题重重的太阳能电池界面，NIMTE 研究团队插入了一层超薄的氯化铟中间层，该层在加热时会发生局部反应。这一过程驱逐了松散的氯离子，形成了一个由铟、氧和磷键结结构成的致密网络。这一化学网络起到了强有力的固定作用，将太阳能分子牢牢锁定，而不是让它们松散附着。
对材料进行耐久性测试时，将材料加热会触发化学反应，去除松散的氯离子，并在铟、氧和磷之间形成强键结。这个过程在表面上建立了一个耐久的保护网络。新形成的层紧紧固定住太阳能电池材料，大大改善了整体稳定性。研究人员在新闻稿中指出，“中间层触发配体交换，形成一个强固的、多位点的铟-氧-磷配位网络，密集且均匀地固定了 SAM。”这一策略立即在所有关键测试指标上提高了性能。
小型实验室规模的电池达到了令人印象深刻的 20.4%能量转换效率，而面积为 15.6 平方厘米的大型模块则创下了 18.8%的记录效率。
有趣的是，这些设备展现了卓越的耐用性，在持续照射下经过 2,000 小时的运行后，仍保留了超过 85%的初始输出。研究的通讯作者刘全教授表示：“我们将这一技术扩展至具有 15.6 cm²孔径面积的大型模块，达到了 18.8%的活性面积 PCE 的记录。”这一通用的化学锁定策略为有机光伏的商业未来提供了路径。克服效率、稳定性和可扩展性的三重困境，可能使柔性太阳能技术更接近大规模生产。
未来，像摩天大楼窗户、汽车车顶和智能手表外壳等表面，或许能够静默地利用这些微小的化学锁来发电。该研究结果已于 10 月 21 日发表在《Joule》期刊上。
新技术如何影响有机太阳能电池的未来
有机太阳能电池的发展面临效率、稳定性和可扩展性三重挑战。新技术通过分子锁定策略，成功提升了电池的能量转换效率和耐久性，为解决这些问题提供了有效方案。随着这种技术的成熟，未来有望在各种应用中实现大规模生产，从而推动可再生能源的普及和应用，特别是在灵活性和轻便性上具优势的场合，如建筑和交通工具。