工程师为有机光伏发电提供了新的特性

2018-12-29 09:27:55
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可以在表面上涂漆或印刷的有机太阳能电池越来越有效,并且现在有希望结合到诸如也需要它们具有柔性的衣服的应用中。

莱斯大学化学和生物分子工程师Rafael Verduzco实验室开发了柔性有机光伏器件,在恒定,低功率发电就足够的情况下非常有用。

Verduzco和他的团队采用了弹性添加剂网络,使电活性材料不那么脆,几乎没有电流损失。

该研究发表在美国化学学会期刊“材料化学”上。

有机太阳能电池依赖于碳基材料,包括聚合物,而不是像硅这样的硬质无机材料,以捕获太阳光并将其转化为电流。有机物也薄,轻,半透明且便宜。虽然中间的商用硅基太阳能电池的效率约为22% - 阳光转化为电能 - 有机物的最高效率约为15%。

“该领域长期以来一直沉迷于效率图表,”Verduzco说。“这些设备的效率有所提高,但机械性能也非常重要,而且这一部分被忽略了。

“如果你拉伸或弯曲东西,你会在活动层中出现裂缝而设备会失效。”

Verduzco说,解决脆性问题的一种方法是找到本质上具有弹性的聚合物或其他有机半导体,但他的实验室采取了另一种方法。“我们的想法是坚持使用经过20多年精心研发的材料,我们了解工作,并找到改善其机械性能的方法,”他说。

Rice研究人员混合了硫基硫醇 - 烯试剂,而不是制作网状物并注入半导体聚合物。分子与聚合物共混,然后相互交联以提供柔韧性。

这个过程并非没有成本,因为太少的硫醇烯使结晶聚合物在压力下容易开裂,而过多会降低材料的效率。

测试帮助实验室找到了它的Goldilocks区域。“如果我们用这种网格替换50%的活性层,材料的光线会减少50%,电流会下降,”Verduzco说。“在某些时候,这是不切实际的。即使在我们确认网络正在形成之后,我们还需要确定我们需要多少硫醇 - 烯来抑制骨折,以及我们可以投入的最大数量,而不会使它作为电子设备毫无价值。”

在硫醇烯约20%时,他们发现细胞保持了效率并获得了灵活性。“它们是小分子,不会破坏形态,”Verduzco说。“我们可以照射紫外线或加热或等待,随着时间的推移,网络将形成。化学反应温和,快速,高效。”

下一步是拉伸材料。“纯P3HT(活性聚噻吩基层)开始以约6%的应变开裂,”Verduzco说。“当我们添加10%硫醇 - 烯时,我们可以将其拉伸至14%。在约16%的应变下,我们开始在整个材料中看到裂缝。”

在高于30%的应变下,材料弯曲得很好但是作为太阳能电池变得无用。“我们发现我们的光电流基本上没有损失高达约20%,”他说。“这似乎是最佳选择。”

即使在释放应变时,应变下的损坏也会影响材料。Verduzco说:“这种应变会影响这些晶体区域如何包装并转化为装置中的微观断裂。” “空穴和电子仍然需要通向相反电极的路径。”

他说,该实验室希望尝试使用不同的有机光伏材料,同时努力使它们更具伸缩性,同时用于较大的测试电池。

水稻研究生Jorge Wu Mok是该论文的第一作者。合着者是赖斯研究生胡志奇,本科常熟孙和校友Isaiah Barth; 夏季研究员RodrigoMuñoz和Rice和休斯顿社区学院的Joshua Jackson; 莱斯共享设备管理局的研究科学家Tanguy Terlier; 和纽约厄普顿布鲁克海文国家实验室的Kevin Yager

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