有机太阳能电池架构将迎来性能突破

来自比利时研究中心Imec、Plextronics和Solvay的科学家创造了基于有机聚合物的单结太阳能电池架构，转化效率达到6.9%。最终的器件集成在一个模块里，是Imec大规模倒装器件架构的研究成果，其中Plextronics提供有机聚合物，材料来自Solvay。最终的模块采用了完整的架构，效率达到5%，采光面积为25平方厘米（图1）。

有机VS硅太阳能电池

虽然有机太阳能电池已经存在了一段时间，但在硅光伏器件占据主导的场合下，它仍然是新鲜事物。很多业内人士认为随着性能方面的问题不断克服，有机电池将会是新的低成本替代方案且需求强烈。

有机光伏电池（OPVC）由感应有机聚合物构成，光吸收系数非常高。这意味着少量的材料就能够吸收大量的光。这一点，以及OPVC显著降低成本的优势让该材料成为极其可行同时具有吸引力的方案，至少看上去是这样。OPVC自身的缺点在于效率和稳定性较低、寿命短以及有限的触觉强度。

OPVC有两种基本类型：单层和多层。最简单的是单层OPVC，将聚合物包含在两层导电金属层中。多层电池将两层不同的聚合物层放置在导电材料层中。

单层器件独特的缺点包括的量子效率和转换效率较低，分别在1%至0.1%之间。另外一个问题在于单层器件的导体间缺少电场力。

双层OPVC克服了这些问题，但又有其自身的一些问题，例如聚合物的厚度就是主要问题。为了将电荷和载流子分开，聚合物的厚度必须和电荷的长度相当，在10nm左右。问题在于聚合物至少需要100nm才能有效的吸收光线。

倒装架构才是可行方案

总的来说，有机光伏的工作寿命问题没有得到重视。为了解决这个问题，以延长有机光伏电池寿命的倒装架构开发出来了。

Imec的倒装体异质结（inverted bulk heterojunction）架构可将单层和双层拓扑的电池性能提升0.5%。架构采用了低带隙p型聚合物，含有来自Plextronix的富勒烯。

在活跃层中采用了独特的缓冲以改善并提升光管理，让有机物和架构结合起来，稳定可靠地达到6.9%的转化效率。这是迄今为止有机物材料最好的表现，也是倒装架构最好的表现。

此外，倒装器件架构还为其他有机物材料带来了类似的性能提升。研究人员称模块的效率水平保证了其适合更大的规模扩充。

前景看好

基于之前的开发成果，依靠Imec创新的架构，有机太阳能电池的未来看来非常光明（图2）。

Imec的有机光伏团队负责人Tom Aernouts表示，“随着对材料和架构的进一步优化，例如引入包括不同聚合物层，每层捕获不同光谱的多结架构，我们预计有机太阳能电池的寿命将达到10年，效率在2-3年内提升至10%。”

Solvay的可持续能源平台经历Patrick Francoisse表示，“我们相信，当我们能够提升效率和寿命，同时降低成本的情况下，有机光伏将在未来扮演更重要的角色。”

这很容易让人将有机光伏现在的状况和LED及固态照明领域的状况做比较。LED厂商受制于技术，需要降低价格，而有机太阳能电池的研究人员也需要控制成本，同时改进技术。