聚合物改性，促进有机太阳能电池效率提高

来自法国、俄罗斯和哈萨克斯坦的一个国际材料科研团队找到了一种能够有效提高有机太阳能电池效率的方法。这项发表在JournalofMaterialsChemistryA杂志上的新研究表明，基于有机分子的有序结构可用于生产太阳能。

太阳能电池板或称太阳能电池是最有前途的发电方式之一。截至2017年，全球安装的太阳能电池板的总功率已达到400千兆瓦。太阳能行业正在飞速发展，这都归功于更便宜和更有效的电池的出现。

改善太阳能系统的一种方法是引入新材料。将光转换成电能的太阳能电池板的基本元件是光伏电池或太阳能电池。它们主要由一种高纯度的多晶硅制成。但科学家正在忙着寻找其它替代材料，而具有光伏特性的有机聚合物材料将是替代多晶硅的主要候选者之一。

来自法国（斯特拉斯堡大学、里昂大学、米兰学院、同步加速器SOLEIL），俄罗斯（莫斯科物理科学与技术学院、莫斯科国立大学）和哈萨克斯坦（纳扎尔巴耶夫大学）的一个联合研究团队描述了一种通过在聚合物中加入氟原子来提高有机太阳能电池效率的方法。这种被称为氟化的方法以前就被证明可以用来提高聚合物的光伏特性，但科学家们对其作用机理却知之甚少。他们的这项新研究则阐明了氟化对材料光伏效率提升的影响原因。

通过进行各种聚合物改性实验，该团队将电池效率从3.7％提高到10.2％。虽然这仍然无法应用于商业硅光伏发电系统，但效率的大幅提升表明了聚合物基电池是一项不可忽视的技术。也许随着研究进一步的改进，有机太阳能电池的表现可能超过基于多晶硅的同类产品。

实验中使用的通用聚合物具有相当复杂的分子结构。它由图1左侧所示的一系列重复单元组成。它们中的每一个都包括由一个硫和四个碳原子制成的硫杂环和具有支链结构的烃侧链。

研究人员对这种聚合物进行了大量修改，以期能找出哪种聚合方式具有更好的光伏特性。他们通过添加氟原子（图1，右）和改变侧链的长度来改变结构，这种聚合物配置被证明具有非常优异的性能，它的电池效率和电流输出比此前的电池高出好几倍。

然后该团队研究了性能最佳化合物的微观结构，通过X射线分析显示聚合物堆叠更有序。此外，材料分子的特征方面具有更高的电荷载流子迁移率，这意味着材料具有更好的导电性能。对于太阳能电池，这显然是一个优势。

该研究的共同作者DimitriIvanov教授指出了有机太阳能电池的技术优势。他说，与传统的硅光伏电池相比，它们的制造步骤更少。光吸收聚合物也可以起到薄膜的作用，这意味着太阳能电池板不需要是平的。

“例如，你可以将有机太阳能电池涂覆在屋顶瓦片上，”MIPT功能有机和混合材料实验室的负责人，同时也是法国国家科学研究中心研究主任的Ivanov补充说道。

据Ivanov说，这项研究的挑战在于“需要通过选择供体和受体的正确分子能级来优化太阳能电池效率，同时还要创造适当的超分子结构，以促进电荷向电极的传输。”