加工技术可以降低有机光伏和可穿戴电子产品的成本

2019-02-23 17:51:10
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简单的基于溶液的电掺杂技术可以帮助降低聚合物太阳能电池和有机电子器件的成本,从而可能扩展这些技术的应用。通过生产高效的单层太阳能电池,新工艺可以帮助将有机光伏发电转变为新一代可穿戴设备,并实现小规模的分布式发电。

该技术由佐治亚理工学院的研究人员和其他三个机构的同事开发,为有机半导体薄膜中的p型电掺杂提供了一种新方法。该过程包括在室温下将薄膜简单地浸入溶液中,并且将取代需要真空处理的更复杂的技术。

“我们希望通过进一步简化制造聚合物太阳能电池的工艺来改变有机光伏发电的规模,”佐治亚理工学院有机光子学和电子学中心主任,以及该学院教授Bernard Kippelen说。电气与计算机工程。“我们相信这种技术可能会影响许多其他设备平台,如有机印刷电子,传感器,光电探测器和发光二极管。”

该项目由海军研究办公室主办,于12月5日在Nature Materials杂志上发表。该研究还涉及加州大学圣巴巴拉分校,日本九州大学和荷兰埃因霍温科技大学的科学家。

该技术包括将有机半导体薄膜及其混合物浸入硝基甲烷中的多金属氧酸盐(PMA和PTA)溶液中短时间 - 大约几分钟。在浸没期间掺杂剂分子扩散到膜中导致在距离膜表面10到20纳米的有限深度上的有效p型电掺杂。p掺杂区域显示出增加的导电性和高功函数,降低了在加工溶剂中的溶解度,并改善了空气中的光氧化稳定性。

这种新方法为最有效的聚合物太阳能电池中使用的空气敏感氧化钼层提供了更简单的替代方案,其通常使用昂贵的真空设备进行处理。当应用于聚合物太阳能电池时,新的掺杂方法提供了有效的空穴收集。通过将这种新方法与含胺聚合物的自发垂直相分离相结合,首次证明了单层聚合物太阳能电池,这导致在相对电极处有效的电子收集。这些新器件的几何形状是独特的,因为空穴和电子收集的功能被内置在光吸收有源层中,从而产生具有很少界面的最简单的单层几何形状。

“利用我们的方法实现单层光伏发电,可以使器件中的两个电极都由低成本的导电材料制成,”Kippelen研究小组的高级研究科学家Canek Fuentes-Hernandez说。“这提供了设备几何形状的显着简化,并且它提高了供体聚合物的光氧化稳定性。虽然需要进行寿命和成本分析研究来评估这些创新的全部影响,但它们肯定是非常令人兴奋的发展道路将有机光伏技术转变为商业技术。“

通过简化有机太阳能电池的生产,新的加工技术可以在非洲和拉丁美洲地区制造太阳能电池,这些地区缺乏资本密集型制造能力,Felipe Larrain博士说。Kippelen实验室的学生。

“我们的目标是进一步简化有机太阳能电池的制造,使制造它们所需的每种材料都可以包含在向公众提供的单一套件中,”Larrain说。“太阳能电池产品可能会有所不同,如果你能够为人们提供一种解决方案,使他们能够制造自己的太阳能电池。有朝一日,人们可以自己动力并独立于电网。”

几十年来,有机太阳能电池已经在许多学术和工业实验室中进行了研究,并且在功率转换效率方面经历了持续和稳定的改进,实验室值达到了13% - 而商业硅基电池的这一比例约为20%。尽管基于聚合物的电池目前效率较低,但它们比硅电池所需的能量更少,并且在其寿命结束时更容易回收。

“能够使用这种简单的基于解决方案的技术在室温下完全处理太阳能电池可以为可扩展且无真空的器件制造方法铺平道路,同时显着减少与之相关的时间和成本,”Vladimir Kolesov说,博士学位 研究员和论文的主要作者。

博士指出,除了太阳能电池之外,兴奋剂技术可以更广泛地应用于有机电子学的其他领域。研究员周文芳。“由于其简单性,这是一种真正有前途的技术,可提供可调节的半导体电导率,可应用于各种有机电子产品,并可能对该行业进行大规模生产产生巨大影响。

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