可撓式有機太陽能新進展，提升材料彈性又不影響轉換效率
2018-11-21
隨著科技日新月異，未來身上的衣服說不定曬一曬太陽就可以幫手機充電。近期美國萊斯大學成功研發出可撓式有機太陽能新材料，透過在有機材料添入化學添加劑，可在不影響光電效率的情況下提升太陽能材料的彈性，有助於加速可撓式太陽能的發展。
相較於現今太陽光電主流矽晶太陽能，有機太陽能多由碳基材料等聚合物製成，材料具輕薄、半透明與便宜等優勢，雖然轉換效率仍不及矽晶的 22%，目前只有少少的 15%，但該技術可透過噴塗或是印刷方式製造，製造成本可說是相當低廉，未來或許只要幾個月就能回收裝置成本，再加上有機太陽能不容易碎裂，應用範圍廣泛，可裝置在電動車、飛機機翼、建築物甚至是衣服上，發展潛力不容小覷。
萊斯大學化學和生物分子工程師 Rafael Verduzco 指出，長期以來太陽能領域的科學家都比較注重光電轉換效率，雖然這確實相當重要、轉換效率也確實與日俱增，但太陽能電池材料的機械性質也是重點，一直忽略也不是個辦法。
就好比如果現在拉扯或折一下太陽能電池，就會在活性層發現破裂與受損，進而影響效率。因此萊斯大學為了改善太陽能版又脆又硬的缺點，在太陽能材料添入化學添加劑硫醇烯（thiol-ene），讓分子可以跟聚合物相互交聯成網狀結構，進一步提高材料的彈性。
萊斯大學透過在聚合物材料加入化學添加劑硫醇烯分子，讓兩者相互交聯形成網狀結構，在緩解材料脆硬問題的同時，也不會影響光電轉換效率。
要達成這一目標也不簡單，硫醇烯過多會降低轉換效率，太少會讓聚合物結晶在壓力下受損。萊斯大學團隊也實驗指出，假如用添入硫醇烯的材料取代 50% 的活性層，材料的光吸收會降低 50%，電流也會減少。
因此研究進一步將比率降至 20%，實驗結果也相當符合團隊期待，太陽能電池轉換效率並未將低、材料也更加靈活，Verduzco 表示，硫醇烯是小分子，並不會破壞聚合物的特性，因此團隊可以用紫外線、加熱方式製造新型電池，也可以放著它隨著時間的流逝、自然形成網狀結構，顯然化學反應相當溫和與高效，可說是目前的最佳比例。
團隊也同時測試材料的伸展性能，通常活性層 P3HT 會在應變值達 6% 時裂開，但當團隊添入 10% 硫醇烯，應變值可以提升到 14%，新材料甚至到 16% 才會出現裂縫。Verduzco 指出，雖然研究團隊也可以將應變值提升到 30% 以上，但如此一來太陽能電池效率就會降低。
目前研究並未提到現在的光電轉換效率是多少，但萊斯大學團隊表示他們一直將光電流損失控制在 20% 以內，未來則希望能嘗試不同的有機太陽光電材料，同時也盼望可提升新材料的並製造更大的太陽能電池，目前新論文已發表在《Chemistry of Materials》。
Stretchy solar cells a step closer
（本文由 EnergyTrend 授權轉載；圖片來源：萊斯大學）
◎資料來源：科技新報
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