柔性太陽(yáng)能光伏發(fā)電與儲(chǔ)存一體化技術(shù)仍然面臨挑戰(zhàn)宿百。

能源問(wèn)題是人類(lèi)面臨的一個(gè)嚴(yán)峻問(wèn)題敞灸。取之不盡缅煎、用之不竭的太陽(yáng)能是清潔能源時(shí)代的寵兒采缎。

太陽(yáng)能電池是把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能的重要裝置，其光電轉(zhuǎn)化效率和穩(wěn)定性成為業(yè)內(nèi)關(guān)注的焦點(diǎn)灌罐。日前敌菩，澳大利亞昆士蘭大學(xué)教授王連洲課題組基于近些年在太陽(yáng)能電池基恩、快充型儲(chǔ)能電池和集成型太陽(yáng)能充電電池領(lǐng)域的新探索，在《儲(chǔ)能材料》上發(fā)表了一篇題為《柔性太陽(yáng)能充電系統(tǒng)》的綜述疏拱。

在國(guó)內(nèi)斤杏，中國(guó)科學(xué)院院士李永舫自2000年開(kāi)始從事共軛高分子轉(zhuǎn)入有機(jī)聚合物太陽(yáng)能電池的研究。他告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》：“有機(jī)聚合物太陽(yáng)能電池與傳統(tǒng)硅基太陽(yáng)能電池相比榕每，最大的特點(diǎn)是可以做成柔性和半透明腹呀，整體耗能低很多±干校”

尋找電池器件材料

20世紀(jì)50年代起愈，太陽(yáng)能電池開(kāi)始興起并發(fā)展至今，現(xiàn)在應(yīng)用比較普遍的是硅基太陽(yáng)能電池译仗。此外抬虽，還有無(wú)機(jī)半導(dǎo)體薄膜太陽(yáng)能電池、染料敏化太陽(yáng)能電池纵菌、鈣鈦礦太陽(yáng)能電池阐污、有機(jī)聚合物太陽(yáng)能電池等。

不同太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)不一樣咱圆，比如有機(jī)聚合物太陽(yáng)能電池的有機(jī)光敏帶由P型有機(jī)半導(dǎo)體（容易給出電子）構(gòu)成的給體笛辟、N型半導(dǎo)體（容易接收電子）構(gòu)成的受體組成，形成很薄的柔性活性層序苏，在外電路接通下產(chǎn)生光電流手幢。鈣鈦礦太陽(yáng)能電池與有機(jī)聚合物太陽(yáng)能電池類(lèi)似，具有三明治結(jié)構(gòu)杠览，主要的不同在于光敏層弯菊，它是有機(jī)無(wú)機(jī)雜化構(gòu)成的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。

李永舫以硅基太陽(yáng)能電池為例介紹道牺缰，硅基太陽(yáng)能電池在生產(chǎn)過(guò)程中耗能較高田蕴，尤其是原材料的支配，以及硅要達(dá)到99.9999%純化醋咒，這個(gè)純化過(guò)程也需要耗能负稚。

他說(shuō)：“硅基太陽(yáng)能電池要使用6～7年才能把生產(chǎn)過(guò)程中的耗能收回來(lái)，而有機(jī)聚合物太陽(yáng)能電池的能耗大概一年左右就可以收回晦苞，但存在穩(wěn)定性問(wèn)題央改，導(dǎo)致使用壽命不長(zhǎng)，反觀硅基太陽(yáng)能電池使用壽命可達(dá)20年浊娄。

2017年仑锥，英國(guó)、意大利、西班牙等7個(gè)國(guó)家的15家企業(yè)研究機(jī)構(gòu)組成歐洲Powerweave研發(fā)團(tuán)隊(duì)德州，開(kāi)展基于染料敏化纖維材料太陽(yáng)能光伏電池技術(shù)和電能儲(chǔ)存纖維材料薄膜蓄電池技術(shù)的有機(jī)組合的原位集成技術(shù)研究聪弊。

來(lái)自中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所研究員葛子義團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前大多數(shù)有機(jī)太陽(yáng)能電池的研究結(jié)果都是基于剛性的氧化錫（ITO）玻璃基板窝革。然而购城，ITO在塑料基板上存在導(dǎo)電性差和機(jī)械脆性等問(wèn)題，另外ITO通常在高溫下通過(guò)真空濺射進(jìn)行加工虐译，這使得其價(jià)格昂貴瘪板，不利于采用大面積印刷和卷對(duì)卷來(lái)制備。

為此漆诽，葛子義團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了低溫酸處理PEDOT/PSS電極替代需要高溫濺射且昂貴的ITO電極侮攀。團(tuán)隊(duì)稱，這類(lèi)全溶液加工的柔性有機(jī)太陽(yáng)能電池非常符合卷對(duì)卷印刷和刮涂等大面積制備工藝的技術(shù)要求拴泌，為有機(jī)太陽(yáng)能電池低成本柔性化制備提供了重要的參考途徑魏身。

提升光電轉(zhuǎn)換效率

記者獲悉，葛子義團(tuán)隊(duì)利用全溶液加工技術(shù)蚪腐，采用PBDB-T和IT-M非富勒烯活性層箭昵，制備了全濕法加工非ITO的單結(jié)柔性有機(jī)太陽(yáng)能電池，電池的能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)到10.12%回季。

有機(jī)聚合物太陽(yáng)能電池的研究興起于20世紀(jì)60年代家制，當(dāng)時(shí)的轉(zhuǎn)換效率非常低。李永舫最開(kāi)始研究有機(jī)聚合物太陽(yáng)能電池時(shí)由于條件不太好泡一，效率也一直不高裕消。2004年前后，李永舫團(tuán)隊(duì)開(kāi)始思考如何提高材料的光電轉(zhuǎn)換效率肋森。

“太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化成電能顶怠，首先要求光伏材料對(duì)光有較寬和強(qiáng)的吸收，另外給體材料要有高的空穴遷移率烈杠，受體材料要有高的電子遷移率腻学。”李永舫回憶道跃百，“我們當(dāng)年選擇了富勒烯衍生物受體券妹，其電子遷移率較高，隨后我們的關(guān)注點(diǎn)轉(zhuǎn)到給體材料患刻希”

“我們那個(gè)時(shí)候就想到了共軛側(cè)鏈這個(gè)概念「芏停”李永舫解釋道赘双，“由于共軛高峰的主鏈傳輸很快埋村，有了共軛側(cè)鏈就像搭了座橋，使電荷在這條共軛側(cè)鏈上傳輸也比較快醇坝，提高空穴遷移率邑跪，進(jìn)而提升光伏性能『糁恚”

近年來(lái)，提升材料光電轉(zhuǎn)化效率已成為太陽(yáng)能電池的主流研究方向砸琅。南開(kāi)大學(xué)化學(xué)學(xué)院教授陳永勝在柔性透明電極與柔性有機(jī)太陽(yáng)能電池領(lǐng)域研究中發(fā)現(xiàn)宋距，獲得高性能的柔性透明電極是研發(fā)高效柔性有機(jī)光電器件的前提，也是目前該領(lǐng)域的核心難題症脂⊙枋辏“因此，如何獲得同時(shí)具有高導(dǎo)電诱篷、高透光壶唤、低表面粗糙度以及制備方法簡(jiǎn)單、綠色的柔性透明電極棕所，是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)闸盔。”

2019年11月地垢，陳永勝團(tuán)隊(duì)在《自然—電子學(xué)》發(fā)表文章满页，介紹了團(tuán)隊(duì)制備出同時(shí)具有高導(dǎo)電、高透光且低表面粗糙度的銀納米線柔性透明電極尊伟，將其用于構(gòu)筑柔性有機(jī)太陽(yáng)能電池惑拙，與使用商業(yè)氧化銦錫玻璃電極的器件性能相當(dāng)，光電轉(zhuǎn)化效率可達(dá)16.5%野疟，刷新了當(dāng)時(shí)文獻(xiàn)報(bào)道的柔性有機(jī)/高分子太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)化效率的最高紀(jì)錄插呜。

多領(lǐng)域的潛在應(yīng)用

王連洲團(tuán)隊(duì)在綜述文章里指出，由于太陽(yáng)光自身的強(qiáng)度不穩(wěn)定性以及間歇性廷碴，促使該領(lǐng)域的科研人員進(jìn)一步探索光伏能源生成與儲(chǔ)存的集成系統(tǒng)砾楞，促進(jìn)了太陽(yáng)能充電儲(chǔ)能系統(tǒng)的發(fā)展。

南京工業(yè)大學(xué)先進(jìn)材料研究院教授陳永華告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》：“太陽(yáng)能充電儲(chǔ)能系統(tǒng)比較適合應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)和人機(jī)互動(dòng)等領(lǐng)域楷芝，前提是需要提升光電轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)效率檩耕。”此前裕砖，陳永華團(tuán)隊(duì)尋找并設(shè)計(jì)出能夠穩(wěn)定鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的有機(jī)胺分子蜒鸣，制備出的層狀鈣鈦礦太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)換效率得到明顯提升。

如今鸵隧，太陽(yáng)能充電儲(chǔ)能系統(tǒng)已被廣泛研究并應(yīng)用于智能電網(wǎng)绸罗、房屋能源供給意推、通勤電動(dòng)車(chē)輛、家用電子產(chǎn)品珊蟀，以及便攜式可穿戴電子設(shè)備中菊值。在設(shè)計(jì)新一代可穿戴便攜式能源設(shè)備尤其是太陽(yáng)能充電儲(chǔ)能系統(tǒng)時(shí)，王連洲團(tuán)隊(duì)意識(shí)到育灸，柔韌性及可便攜性是必須考慮的兩大關(guān)鍵指標(biāo)腻窒。

王連洲團(tuán)隊(duì)表示，相比于傳統(tǒng)的剛性器件磅崭，柔性薄膜太陽(yáng)能電池因低溫制備及易實(shí)現(xiàn)的面板安裝技術(shù)而大大降低了成本儿子。此外，將柔性的薄膜光伏系統(tǒng)與儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)砸喻，不僅可以實(shí)現(xiàn)便攜可穿戴設(shè)備的無(wú)線充電柔逼，還可以極大地提高電池的工作時(shí)長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)更為廣泛割岛、精細(xì)的應(yīng)用愉适。

中國(guó)科學(xué)院電工研究所副研究員原郭豐向《中國(guó)科學(xué)報(bào)》介紹道，柔性太陽(yáng)能光伏發(fā)電與儲(chǔ)存一體化技術(shù)咱贪，具有明顯的表面結(jié)構(gòu)適應(yīng)性強(qiáng)韩艾、易彎曲、重量輕促军、無(wú)需額外安裝費(fèi)用等優(yōu)勢(shì)短即，可靈活應(yīng)用于服飾、戶外裝備等灾、建筑物宜抓、交通運(yùn)輸工具、電子設(shè)備等需要遮陽(yáng)及復(fù)雜結(jié)構(gòu)的物體外表面莫金，也可以作為光伏發(fā)電儲(chǔ)存一體化系統(tǒng)進(jìn)行使用矫第。

原郭豐還指出：“柔性太陽(yáng)能光伏發(fā)電與儲(chǔ)存一體化技術(shù)仍然面臨材料的制備及其穩(wěn)定性、復(fù)雜條件下材料壽命洽咬、光電轉(zhuǎn)化效率浑擎、充放電效率、安全性以及成本等諸多問(wèn)題橙围≌铀溃”（■本報(bào)記者 沈春蕾）

（中國(guó)科學(xué)報(bào)）

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