據(jù)《科學(xué)日?qǐng)?bào)》近日?qǐng)?bào)道，一組來自北卡羅來納州州立大學(xué)和英國的研究人員發(fā)現(xiàn)，聚合物太陽能電池技術(shù)的能源轉(zhuǎn)化效率低是由太陽能電池自身的構(gòu)造造成的。他們希望其研究成果能夠幫助生產(chǎn)更高效的太陽能電池。該研究結(jié)果刊登在了《先進(jìn)功能材料和納米文學(xué)》網(wǎng)絡(luò)版上。

聚合物太陽能電池所使用的原料多為塑料包裝材料、管道、家庭用品和玩具等。聚合太陽能電池的工作原理是利用有機(jī)化合物從陽光產(chǎn)生電能。當(dāng)固定波長的陽光照射在太陽能電池的半導(dǎo)體材料上時(shí)，它產(chǎn)生電子和帶正電的空洞。為了產(chǎn)生外部電流，必須將電子與空洞分離，從而使電子能夠跑出。聚合物太陽能電池的活躍層由兩種材料構(gòu)成，一種能夠傳導(dǎo)空洞，一種能夠傳導(dǎo)電子。理想狀態(tài)下接受電子的聚合物要置于貢獻(xiàn)電子的聚合物之上，使其接近陰極，從而使得盡可能多的電子能夠跑出。

雖然，聚合物太陽能電池在將太陽光轉(zhuǎn)化為電能方面沒有硅電池高效，只有3%左右，而現(xiàn)有太陽能技術(shù)的光電轉(zhuǎn)化率則達(dá)到了15%-20%，但是，它們質(zhì)量更輕且價(jià)格低廉，因此應(yīng)用也非常廣泛。然而，聚合物太陽能電池存在挑戰(zhàn)，因?yàn)槿绻@些聚合物在納米級(jí)別沒有排列得很好，電子就不能跑出電池，產(chǎn)生電流。

研究人員物理學(xué)教授哈拉爾德.愛德博士稱：“太陽能電池應(yīng)該足夠厚，這樣有利于更多地吸取太陽光中的光子，但其內(nèi)部構(gòu)造應(yīng)該足夠小，以獲取更多的能量——也就是說，激發(fā)性電子能夠抵達(dá)電荷分離、能量轉(zhuǎn)化的地點(diǎn)。”他還進(jìn)一步解釋稱，太陽能電池獲取到光子，但是如果激發(fā)性電子離得太遠(yuǎn)，且兩個(gè)不同塑料材質(zhì)的界面又太粗糙的話，就會(huì)造成電荷分離的效率不高，因此造成能量的損失。

為使太陽能電池的轉(zhuǎn)化效率更高，愛德稱：“吸收光子的涂層的厚度應(yīng)該為150-200納米（1納米約等于人類發(fā)絲寬度的1/1000），激發(fā)性電子距電荷分離地點(diǎn)的行程應(yīng)為10納米。但聚合物太陽能電池目前的構(gòu)造阻礙了這一進(jìn)程，在我們所研究的聚合物系統(tǒng)中，激發(fā)性電子的最短行程是80納米，且兩種塑料導(dǎo)體間的接觸面結(jié)合得并不嚴(yán)密，這就使得激發(fā)性電子或電荷卡在這里。因此，我們需要找到并制造內(nèi)部結(jié)構(gòu)更小、且接觸面更嚴(yán)密的聚合物太陽能電池的方法。”

與此同時(shí)，愛德及其研究小組也在對(duì)其他不同類型的聚合物太陽能電池進(jìn)行研究，看其轉(zhuǎn)化效率低是否同屬一個(gè)構(gòu)造問題，希望其研究數(shù)據(jù)能夠幫助化學(xué)家和制造商提高能效。“現(xiàn)在我們明白為何現(xiàn)存的技術(shù)不能像預(yù)期的那般奏效，下一步我們將進(jìn)一步提高我們的研究，提高光電轉(zhuǎn)換效率水平，最后將據(jù)此設(shè)定我們研究和制造的方向。”

據(jù)悉，該研究由美國能源部以及英國工程和物理學(xué)研究委員會(huì)資助。