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陽明交大突破半透明有機太陽能電池效率 發表國際期刊

半透明有機太陽能電池元件p-i-n主動層截面分子結構示意圖(藍色圓盤與紫色線條分別代表p-型高分子及n-型小分子)。圖/陽明交大提供
半透明有機太陽能電池元件p-i-n主動層截面分子結構示意圖(藍色圓盤與紫色線條分別代表p-型高分子及n-型小分子)。圖/陽明交大提供

再生能源技術發展中,有機太陽能電池技術產生元件具可撓特性,並具有以印刷法製備大面積和使用低排碳生產技術及低材料成本的優點。國立陽明交通大學材料科學與工程學系教授韋光華領導的研究團隊長期投入半透明有機太陽能電池研究,近期採用連續塗佈(SD)新穎策略所製備半透明有機太陽能電池具有p-i-n主動層結構,研究結果顯示所製備的半透明有機太陽能電池是該領域目前光電能量轉換效率最高元件,成果已發表於國際知名科學期刊「Advanced Energy Materials」(journal impact factor: 29),並被選為期刊封面文章。該團隊目前也正積極著手研究利用此技術,應用於智能溫室。

韋光華表示,太陽光譜能量分佈中,可見光與紅外光分別佔47%與51%能量,因此半透明有機太陽能電池元件模組應用於半透光的智能溫室之屋頂時,不但可利用透過的可見光以供溫室內植物進行光合作用來生長,也同時可利用被吸收的紅外光進行光電轉換產生電能。

允許架設在溫室屋頂的半透光有機太陽能板同時以陽光能量產生電能及容許農作物的生長,以達到農業與電能共生目標。此外,半透明有機太陽能板亦可用於各類建築物玻璃窗上產生能源,也可望幫助解決逐漸惡化的氣候變遷問題。

過去的半透明有機太陽能電池主動層中均沿用傳統塊體異質(BHJ)主動層結構。在BHJ主動層的結構中,由於溶液經旋轉塗佈後形成主動層的過程本質上為自發性(spontaneous)相分離行為,會造成無法精確調控吸收不同波長的光,以及因無法達成有效及平衡的電子和電洞傳輸行為,導致無法有效提升透光度及元件光電能量轉換效率。

韋光華的團隊則採用連續塗佈(SD)新穎策略,團隊透過精確控制高分子和小分子層的厚度,以增加元件可見光穿透度,而增加元件的光電轉換效率。

團隊也在塗佈時以動力學(kinetics)來控制p-型高分子和n-型小分子在界面相互擴散,可產生兩種分子的均勻混合層(i-型),獲得類p–i–n 三層主動層結構。這類三層主動層結構可避免兩者再結合的可能性。因而可保持元件的高光電轉換效率而同時增加可見光穿透度。

韋光華說,這次發表於「Advanced Energy Materials」的文章中,所製成以p–i–n主動層半透明有機太陽能電池的性能,是目前已發表文獻中最高效率的元件,元件可見光透光度(Visible Light Transmission, VLT)達22.2%時,元件光電轉換效率可達12.2%,而以BHJ主動層結構的元件在VLT值為22%時,元件光電轉換效率僅達10%。這種p-i-n主動層結構可同時實現高效率和高可見光穿透度半透明有機太陽能電池。

該項研究成果不僅展現國内半透明有機太陽能技術達世界一流及自行研發的實力,同時目前也正積極著手研究利用此技術,幫助智能農業達到更高的經濟效應。

左圖為置於溫室屋頂半透明有機太陽能電池模組,右圖為元件結構包括ITO陽極,PEDOT:PSS電洞傳輸層,p-型高分子PBDB-T-2F,n-型Y6小分子,ZnO奈米顆粒電子傳輸層及金銀雙層陰極。圖/陽明交大提供
左圖為置於溫室屋頂半透明有機太陽能電池模組,右圖為元件結構包括ITO陽極,PEDOT:PSS電洞傳輸層,p-型高分子PBDB-T-2F,n-型Y6小分子,ZnO奈米顆粒電子傳輸層及金銀雙層陰極。圖/陽明交大提供

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