- 新技術使有機太陽能電池效率達到20.4%。
- 該技術引入中間層以增強穩定性和耐久性。
- 經過2,000小時運行，電池仍保留超過85%輸出。
- 這一策略為有機光伏的商業未來提供了新途徑。
一種全新的分子鎖定策略有望克服有機太陽能電池（OSC）在效率、穩定性和可擴展性方面的挑戰。有機太陽能電池提供輕便、靈活的碳基替代品，取代矽材料，並具備廣泛的商業應用潛力。然而，這些電池的精細層通常在高溫和持續陽光下迅速降解。來自中國科學院寧波材料技術與工程研究所（NIMTE）的研究團隊致力於解決這一穩定性問題，採用了分子鎖定策略，將精細的太陽能層牢固地固定在一起。
特別是，該策略引入了一層專門的中間層，將太陽能材料化學地固定在電極上。這一結構形成了強大的分子鍵結，增強了能量效率及長期耐久性，適用於大規模面板。
新技術提升效率與穩定性
根據研究論文所述，我們實現了 20.4%的小面積效率和 18.8%的活性面積模組效率。要理解這一發展，首先需要明白為何柔性太陽能電池會失敗。有機太陽能電池通過超薄的自組裝單分子膜（SAM）來獲取陽光，這些膜鋪設在透明電極上。電極與有機膜之間的連接非常滑。在高溫和持續光照下，化學鍵會滑動並分離，導致層脫附，最終使電池失效。這對太陽能電池專家來說是一個三重困境：高效率、長期穩定性和商業可擴展性之間的最佳平衡。
到目前為止，優化其中一個指標通常意味著犧牲其他指標。
耐久性測試顯示卓越表現
為了加強問題重重的太陽能電池界面，NIMTE 研究團隊插入了一層超薄的氯化銦中間層，該層在加熱時會發生局部反應。這一過程驅逐了鬆散的氯離子，形成了一個由銦、氧和磷鍵結構成的緻密網絡。這一化學網絡起到了強有力的固定作用，將太陽能分子牢牢鎖定，而不是讓它們鬆散附著。
對材料進行耐久性測試時，將材料加熱會觸發化學反應，去除鬆散的氯離子，並在銦、氧和磷之間形成強鍵結。這一過程在表面上建立了一個耐久的保護網絡。新形成的層緊緊固定住太陽能電池材料，大大改善了整體穩定性。研究人員在新聞稿中指出，「中間層觸發配體交換，形成一個強固的、多齡位的銦-氧-磷配位網絡，密集且均勻地固定了 SAM。」這一策略立即在所有關鍵測試指標上提高了性能。
小型實驗室規模的電池達到了令人印象深刻的 20.4%能量轉換效率，而面積為 15.6 平方釐米的大型模組則創下了 18.8%的記錄效率。
有趣的是，這些設備展現了卓越的耐用性，在持續照射下經過 2,000 小時的運行後，仍保留了超過 85%的初始輸出。研究的通訊作者劉全教授表示：「我們將這一技術擴展至具有 15.6 cm²孔徑面積的大型模組，達到了 18.8%的活性面積 PCE 的記錄。」這一通用的化學鎖定策略為有機光伏的商業未來提供了路徑。克服效率、穩定性和可擴展性的三重困境，可能使柔性太陽能技術更接近大規模生產。
未來，像摩天大樓窗戶、汽車車頂和智能手錶外殼等表面，或許能夠靜默地利用這些微小的化學鎖來發電。該研究結果已於 10 月 21 日發表在《Joule》期刊上。
新技術如何影響有機太陽能電池的未來
有機太陽能電池的發展面臨效率、穩定性和可擴展性三重挑戰。新技術透過分子鎖定策略，成功提升了電池的能量轉換效率和耐久性，為解決這些問題提供了有效方案。隨著這種技術的成熟，未來有望在各種應用中實現大規模生產，從而推動可再生能源的普及和應用，特別是在靈活性和輕便性上具優勢的場合，如建築和交通工具。