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在開發(fā)可再生能源的過程中，利用太陽能產(chǎn)生電能的光伏電池是許多研究人員的關注對象，其中最熱門的則是尋找具有高光電轉換率的材料或結構。如今，具有導電能力、能增加光吸收和轉換的有機高分子在光伏電池中的應用讓人們看到了巨大潛力。研究人員認為，有機高分子材料以其低成本、高產(chǎn)出的特性有望讓光伏電池變得廉價和輕便。

光電轉換效率由8.62%提高到10.6%

在過去數(shù)年間，人們?yōu)樘岣吖怆娹D化率進行了大量細致和艱苦的研究工作，其中包括開發(fā)新材料、改進光伏電池結構和研發(fā)新加工技術。

在眾多的研究中，美國加州大學洛杉磯分校亨利·薩摩里工程和應用科學院和加州納米系統(tǒng)研究所取得的成就引人注目。研究人員通過給光伏電池引入新的串聯(lián)結構，極大地提高了高分子太陽能電池的性能。2011年7月，研究人員的光伏電池的光電轉化率被證實為8.62%，創(chuàng)造了世界最好水平。

在將日本住友化工提供的新型紅外吸收高分子材料用于光伏電池后，研究人員日前宣布，他們將串聯(lián)光伏電池的光電轉化率提高到了10.6%，該結果得到了美國能源部國家可再生能源實驗室的認可，成為新的世界紀錄。研究人員確信他們開發(fā)的串聯(lián)結構具有廣泛的應用價值。

在此次加州大學研究人員取得突破之前，串聯(lián)結構光伏電池的性能始終低于單層光伏電池的性能，其主要原因是人們沒有尋找到合適的高分子材料。加州大學洛杉磯分校工程研究人員向人們展示的是高效單層串聯(lián)高分子光伏電池。大學材料科學和工程教授楊陽(音譯)用雙層公共汽車，形象地解釋了新結構光伏電池。他表示，普通公共汽車內(nèi)可容納相當數(shù)量的乘客，如果再給其增加一層，那么在相同的空間則可搭載更多的乘客，而這正是串聯(lián)高分子光伏電池實現(xiàn)高效率的原因。

串聯(lián)結構可吸收更多光譜的太陽光

據(jù)悉，串聯(lián)結構由不同吸收光譜帶的兩塊電池所組成，其獨特之處在于它具有專門設計來構成串聯(lián)結構的低頻帶隙共軛高分子材料，頻帶隙決定著高分子吸收太陽光譜的波段。借助擁有不同光譜吸收帶的雙電池結構，串聯(lián)光伏電池為收獲太陽輻射中更寬的光譜提供了有效的途徑。然而，簡單地將兩塊電池組合起來并不會自然提高效率。研究人員表示，為有效地獲取光能，用于串聯(lián)光伏電池的光電轉換材料之間必須相匹配。

在實際研究中，為實現(xiàn)更有效利用太陽輻射的目的，楊陽所領導的研究小組將具有光譜吸收互補性的多片感光層組合起來，構成了串聯(lián)高分子光伏電池。他們的串聯(lián)結構包括具有較高光譜帶寬的前電池和具有較低光譜帶寬的后電池，兩電池用專門的夾層相連。

同單層光伏電池相比，串聯(lián)光伏電池在利用太陽能方面更有效，尤其是它能最大程度地減少其他能量的損失。通過采用更多的太陽光吸收層(每層吸收不同頻段的光譜)，串聯(lián)光伏電池能夠維持電流并提高電壓。研究人員表示，這些因素導致光伏電池的效率獲得改善。

加州大學洛杉磯分校工程研究人員李剛(音譯)說：“與研究單接點光伏電池結構相比，我們在研究串聯(lián)光伏電池上花費的時間要少許多。短時間內(nèi)能夠在提高光伏電池效率方面取得如此的成績，其向人們充分展示了串聯(lián)光伏電池技術的巨大潛力。”

楊陽表示，同傳統(tǒng)的光伏電池生產(chǎn)相比，新的串聯(lián)光伏電池只需增加一項成本非常低的濕鍍膜工藝便可進行制造。他認為，由于增加的工藝與現(xiàn)有的生產(chǎn)設備相兼容，因此在不久的將來，該技術能夠得到商業(yè)化應用。

有專家認為，研究小組的工作為高分子化學家進行串聯(lián)高分子光電電池新材料的設計提供了新的方向。與此同時，研究成果還代表著高分子光伏電池走向商業(yè)化的重要進展。楊陽他們希望在未來數(shù)年內(nèi)能將光電轉化率提高到15%。

研究小組的工作得到了美國國家科學基金會、空軍科學研究辦公室、海軍研究室和能源部的支持，國家可再生能源實驗室參與了研究。住友化工研究組負責人表示，太陽光的頻譜非常寬，包括可見光以及不可見的紅外線和紫外線。公司很高興看到住友化工的低帶寬高分子在研究人員創(chuàng)造新的光電轉換效率世界紀錄方面有所貢獻。