微米級“耙子”可讓太陽能電池轉換率倍增

混合供體（donor）聚合物與受體（acceptor）的許多聚合物組合可用于形成一個完整的塑料太陽能電池。可惜的是，有些最佳組合往往因為集中在一起而減少了電子轉移時的表面積從供體（轉移電子）到受體（讓太陽能電池中的電子通過，傳送至到太陽供電的裝置）。然而，透過一個微米級的耙子即可排解這些集中，并形成納米級晶體，使得表面積倍增，從而提高2倍的輸出功率。

美國斯坦福大學（StanfordUniversity）材料與能源科學研究所（SIMES）將這一過程稱為流體強化晶體工程（FLUENCE）。

我們分別使用了供體和受體聚合物材料即全聚合物太陽能電池，在涂布期間利用微米級耙子爬梳，可使所用的模型系統效率倍增，SIMES成員之一的華裔教授鮑哲南表示。

今朝一般都會為全塑料太陽能電池選擇使用聚合物，因為聚合物較不會集中，即使出現的激子也很少會是易于集中的聚合物。然而，利用這種FLUENCE技術，可讓太陽能電池利用聚合物實現聚光功能每個光單位所出現的激子（電子/電洞對），從而優化轉換效率，使其輸出功率較傳統的涂布方式新增一倍。

柱狀豎立的1微米間距流體強化晶體工程或FLUENCE耙子的掃描電子顯微鏡（SEM）圖

這種微米級的耙子可加以調諧而與現存的聚合物配方共同作業。然而，依據所使用的聚合物系統，耙子的效應也有所差異，但在聚合物傾向于集中成一大塊的情況下最有效。它可利用顯微級的耙子使其分散成小塊，實現更加有效率的激子解離，鮑哲南說。

目前，這些經概念驗證的耙子試驗正以十分緩慢的速度進行每小時約3.5-14.2英吋，與塑料太陽能電池實現最經濟加工要每小時50英哩的高速卷對卷（R2R）工藝相距甚遠。然而，研究員們并不擔心提高速度的挑戰，他們表示，這只要優化參數即可這包括從選擇不同溶劑類型到改變工藝溫度，以便使FLUENCE工藝提升到更高速的制造。

我認為，為了落實這種微米級耙子的優勢，選擇適宜的溶劑和溫度十分緊要，鮑哲南表示。

據鮑哲南解釋，過去一般采用顯微級直刀來瓦解這些集中塊，但微型耙子的效率更高18%，加上它還能制造商進一步提高全塑料太陽能電池的加工效率。事實上，研究人員們十分看好這種FLUENCE工藝，可讓塑料太陽能電池只要一小部份的制造成本，就能展現超越硅晶太陽能電池的效率。

流體強化晶體工程（FLUENCE）處理辦法

美國國家加速器試驗室（SLAC）的斯坦福同步輻射光源（SSRL）部門負責人MikeToney利用X射線衍射測量FLUENCE可分開供體與受體納米級晶體的程度，也為這項研究帶來貢獻。此外，美國羅倫斯柏克萊國家試驗室（LBNL）的先進光源（ALS）則用于表微這項技術。

微米級粑子以1.2微米間距封裝，高度約1.5微米。斯坦福大學研究研究員YanZhou為供體與受體晶體之間表征優化距離使其接近到足以實現快速的電子轉移，但又不至于太接近讓受體可在采集到電力后才傳回電子。

其他有助于實現這項計劃的還包括前SLAC科學家StefanMannsfeld（現為德國Dresden工業大學教授）、前SIMES博士后研究員YingDiao（現任伊利諾大學教授），以及來自ALS、北京大學與韓國成均館大學的科學家群。

美國能源部（DoE）的BRIDGE研究計劃、SLAC的指揮研究和開發計劃試驗室與國家加速器試驗室、SIMES以及斯坦福大學均為這項供應贊助資金。

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