柔性有机光伏膜OPV

2021年11月，当德国马尔堡的市政公用事业公司对一个热水储存设施进行定期维护时，工程师们将18块太阳能电池板粘在10米高的圆柱形主水箱的外面。这里不是典型的太阳能电池板所在地，大多数太阳能电池板都是平面的、刚性的硅和玻璃矩形，排列在屋顶上或太阳能公园里。相比之下，马尔堡工厂的电池板是由德国太阳能公司Heliatek生产的超薄有机薄膜。过去几年，Heliatek公司将其柔性面板安装在了办公大楼的侧面、公交车站的弧形屋顶，甚至是一座80米高的风车的圆柱轴上。其目标是:将太阳能的覆盖范围扩大到平原以外。Heliatek公司的首席技术官Jan Birnstock说:“在传统光伏行不通的地方有一个巨大的市场。”

像Heliatek这样的有机光伏(OPV)比硅板轻10倍多，而且在某些情况下，生产成本只有硅板的一半。有些甚至是透明的，建筑师设想太阳能电池板不仅可以安装在屋顶上，还可以安装在建筑立面、窗户甚至室内空间中。伯恩斯托克说:“我们想把每座建筑都变成发电建筑。”

Heliatek公司的太阳能板是为数不多的实际使用的OPV之一，它们将太阳光中9%的能量转化为电能。但近年来，全球各地的研究人员已经提出了新的材料和设计，在小型实验室制造的原型中，效率已达到近20%，接近硅和替代无机薄膜太阳能电池，如由铜、铟、镓和硒(CIGS)混合制成的电池。与硅晶体和CIGS不同的是，研究人员大多局限于自然赋予他们的少数化学选择，OPV允许他们调整化学键，重新排列原子，并混合元素周期表中的元素。化学家们可以通过调整这些变化来提高材料吸收阳光、导电和抗降解的能力。OPV在这些措施上仍达不到要求。但是，密歇根大学安阿伯分校的OPV化学家斯蒂芬·福里斯特(Stephen Forrest)说:“这里有一个巨大的空白空间供探索。”

即使实验室制造的OPV看起来很有前景，但将其扩大到全尺寸面板仍然是一个挑战，但潜力是巨大的。美国国家可再生能源实验室的OPV专家Bryon Larson说:“现在是OPV领域令人兴奋的时刻，因为该领域在性能、稳定性和成本方面都取得了巨大飞跃。”

传统的太阳能——主要基于硅——已经是一种成功的绿色能源，提供了地球上大约3%的电力。这是向电网新增的最大电力来源，每年有超过200亿瓦的电力投入使用，足以为1.5亿户家庭供电。得益于数十年的工程改进和全球供应链，它的价格持续下降。

但太阳能和其他绿色能源的增长速度远远不够，无法满足日益增长的需求，也无法阻止灾难性的气候变化。随着全球经济的发展，人口的增长，以及预计世界上大部分汽车和卡车将从石油转向电力，预计到2050年，世界电力需求将翻一番。根据国际能源署(International Energy Agency)的最新估计，要在2050年前实现全球碳净零排放，各国必须以目前速度的四倍安装可再生能源，该机构称这是一个“艰巨的挑战”。世界需要新的可再生能源，而且要快。

OPV的支持者认为，在大多数用途上，该技术并没有取代传统的硅面板。相反，他们认为这有助于引入一波新的应用，并最终将太阳能应用到硅板无法发挥作用的地方。该领域始于1986年，当时伊士曼柯达公司(Eastman Kodak Company)的塑料薄膜专家生产出了第一种OPV，它将阳光中的能量转化为电能的效率只有1%。但到了21世纪初，通过摆弄化学旋钮，OPV的效率提高到了约5%，足以让几家公司尝试将其商业化。他们的希望是，在像报纸印刷机这样的卷对卷机器上安装印刷面板，可以使设备足够便宜，尽管存在缺点，但仍然有用。但低效率和在阳光下的退化注定了早期模型的失败。拉尔森说:“我们很兴奋，但有点太早了。”

和现在一样，提高OPV效率的部分困难在于，它们的工作原理与无机材料(如硅)制成的电池不同。所有的太阳能电池都是三明治状的设备，中间的半导体吸收光子并将能量转化为电荷，然后将电荷转移到上下分层的金属电极上。当阳光照射在硅电池上时，增加的能量会将电子踢出围绕单个硅原子的轨道，使它们能够在材料中流动。每个被激发的电子都会留下一个电子空位，也被称为“空穴”，空穴带正电荷。正电荷流向带负电荷的电极(阴极)，而电子流向带正电荷的电极(阳极)，形成电流。

相比之下，有机半导体中的分子倾向于更紧密地抓住电荷。当OPV吸收阳光时，有足够的能量将一个电子踢出其原子轨道，但还不足以让正负电荷分裂并各自移动。相反，这些相反的电荷相互粘在一起，形成了所谓的激子。为了发电，激子必须被分离成正电荷和负电荷，它们可以移动到各自的电极上。

当激子移动并遇到两个半导体组件(称为供体和受体材料)之间的界面时，分离的时刻就到来了。受体吸引电子，供体吸引正电空穴，将激子分开。它需要快速发生:如果被激发的电子和空穴恰好在它们到达那个界面之前结合在一起，它们通常会以热的形式释放最初的激发震动，将其浪费掉。

在过去的几十年里，OPV研究人员一直试图通过改进供体和受体来提高他们的设备的性能。2005年前后的工作将效率提高到了5%以上，主要是通过在材料中加入足球形状的富勒烯碳化合物。富勒烯对电子的渴望使它们成为强大的受体。在接下来的十年里，行动转向了捐助者。到2012年，一系列新型半导体聚合物作为供体，将效率提高到了12%。

然后，这一领域遭受了双重打击。首先，由于研究人员努力寻找下一个突破性材料，进展停滞不前。随后，一种与之竞争的薄膜太阳能技术——钙钛矿——出现在了人们的视野中。钙钛矿是有机和无机化合物的混合物，生产成本低，易于加工，而且非常擅长捕获阳光并将其转化为电能。尽管OPV的进展停滞不前，但钙钛矿的效率从2012年的约6.5%飙升至2020年的约24%。拉尔森说:“钙钛矿就像扔在OPV世界里的一根炸药。”资助机构放弃了OPV，研究人员纷纷涌向这个炙手可热的新贵。德累斯顿技术大学的OPV研究员卡尔·里奥说:“钙钛矿是你必须要跟随的潮流。”

今天，钙钛矿仍然很热。但长期稳定的挑战和对有毒元素的依赖削弱了一些热情。与此同时，OPV很快就有了自己的创新。

2015年，北京大学材料科学家詹晓伟领导的研究人员报告了第一类新的非富勒烯受体(nas)。尽管富勒烯在捕获和传输电子方面很出色，但在吸收阳光方面却很糟糕。在分子水平上，詹的新化合物被命名为ITIC，看起来像一个附加了多环的奥林匹克符号，它两项工作都做得很好，首先吸收红光和红外光，然后在激子分裂时传输电子。

詹的第一个NFA装置只有大约7%的效率。但世界各地的化学家很快开始调整ITIC的结构，生产改进版本。到2016年，新的nfa将OPV效率提高到11.5%。到2018年，这一比例达到16%。而且记录还在不断增加。去年，拉尔森和他的同事在《自然通讯》杂志上报道，通过将多个供体、一个NFA和一个富勒烯组合在单层中，他们创造了一种材料，使激子寿命更长，并能更快地将孔洞送到电极上，这将其效率提高到18.4%。今年8月，杭州师范大学的詹玲玲和她的同事在《先进能源材料》杂志上报告称，基于类似多组分策略的OPV达到了19.3%的效率。亚利桑那大学的OPV专家Jean-Luc Brédas说:“进展确实令人印象深刻。”“很快就会达到20%。”

这将使OPV电池与CIGS和硅电池竞争对手的差距缩小到几个百分点以内。尽管如此，很少有市场观察人士认为OPV会很快与硅进行正面竞争。硅太阳能电池已经占据了每年850亿美元的市场，拥有30年的历史记录和经过验证的耐用性。

相比之下，OPV仍是小众产品。更便宜的OPV，如Heliatek设备，由于效率低而受到限制，更高效的OPV仍处于试验阶段，成本高昂。因此，福雷斯特说，目前而言，OPV制造商最好瞄准硅不适合的新市场。“如果你在和硅竞争，回家吧，你已经输了，”他说。

一种快速发展的应用是在建筑物的侧面粘贴产生能量的薄膜。CIGS和其他无机薄膜也可以用同样的方法。尽管Heliatek公司去年才开始销售太阳能电池板，但市场对该产品的需求非常旺盛，该公司已经在建造一座年产能200万平方米(m2)的工厂，足以提供大约200兆瓦的电力。与此同时，一家名为Epishine的瑞典公司出售可在室内使用的OPV，可以取代从温度传感器到自动照明控制的所有一次性电池;它已经建立了自己的高速生产线。美国初创公司Ubiquitous Energy和NextEnergy正在开发能产生能量的OPV窗口，这种窗口主要捕获红外光子，同时允许可见光通过，这是CIGS和其他不透明薄膜无法做到的。美国海军研究办公室(ONR)正着眼于将OPV用作帐篷、背包和其他移动士兵装备的发电织物。“我们想要一些可以带到前线的东西，”ONR监督OPV资金的保罗·阿米斯特德说。

然而，OPV要想成为绿色能源的重要来源，就需要在效率和耐用性上与对手竞争——这不仅需要新材料，还需要制造技术。目前，最有效的设备仅存在于实验室中邮票大小的原型。理论上，将生产从1平方厘米的电池扩大到1平方米的面板是很简单的。有机物，如聚合物和nfa可以溶解在溶剂和机器涂覆大面积。但这种三明治式装置中的每一层必须完全光滑，很少或没有缺陷，否则会困住移动的电荷，降低整体效率。阿米斯特德说:“要想获得体面的效率，一切都必须工作得恰到好处。”

更有挑战性的是如何控制包含供体和受体的三明治中心层的组成。这种材料的组合最初是一种液体，与供体、受体，有时是其他添加剂和溶剂混合在一起。随着溶剂蒸发，供体和受体分离，形成两个相互缠绕的连续网络。其结果是在供体和受体区域之间的界面有一个大的表面积来分离电荷。连续的网络还允许相反的电荷沿着各自的路径流向电极，电子在受体网络中游弋，空穴在供体中移动。

斯坦福大学的化学家鲍哲安说，供体和受体的缠绕带必须非常薄，因为光子撞击材料时产生的激子只能移动约20纳米，然后电荷就会重新结合，从而失去了产生电能的机会。“你必须得到正确的形态，”阿米斯特德说。大规模可靠地做到这一点仍然是一个挑战。

武汉大学OPV专家捷敏及其同事10月27日发表在《自然能源》杂志上的一项研究让他和其他人感到鼓舞。敏的团队为高速制造薄膜定制了一种流行的方法，称为叶片涂层。传统的方法是将供体和受体混合在一起，将液体分散在移动的薄膜上，然后用一种看起来像长橡皮擦的东西将其均匀化，这种方法可以以每分钟2米左右的速度产生这种薄膜。但是，通过一层一层地分别清洗，研究人员建立了一个更好的供体和受体网络，速度可达每分钟30米。由此产生的电池效率高达近18%。闵的团队还计算出，更快的制造速度可以使OPV成本降低10倍以上，使每千瓦时(kWh)的价格与硅具有竞争力。

20年来，有机光伏发电将阳光转化为电能的效率提高，首先是由一种叫做富勒烯的分子和薄膜结构的变化驱动的，然后是更好的“供体”和“受体”材料来分离正负电荷。

然而，还有待观察的是，这种电池是否能在几十年内保持高效率所需的内部结构。阿米斯特德说:“在一些破纪录的细胞中，随着时间的推移，形态会发生变化，性能就无法维持下去。”nda尤其容易受到影响，因为最好的nda由小分子组成，可以很容易地在材料中移动。

用编织成长聚合物的受体来取代nfa，以帮助它们保持原位可能会有帮助。“他们有机会变得非常强大，”阿米斯特德说。这里也在取得进展。在8月18日的《先进材料》杂志上，由香港大学材料科学家Alex Jen领导的研究人员报告说，在加速老化测试中，全聚合物太阳能电池的效率为17%，并保持了90%的效率。“这是非常值得注意的，”鲍说，他的团队也在研究全聚合物细胞。

然而，仅靠稳定和高效是不够的。为了进入市场，太阳能电池还需要在几十年内证明其可靠性。“这是一个三条腿的凳子，你必须有三条腿，”福雷斯特说。在强烈的紫外线照射下，太阳能电池中的有机物会降解，就像我们的皮肤在海滩上晒伤一样。

在2021年9月14日的《自然通讯》杂志上，Forrest和他的同事报告称，在他们的OPV中添加了一层薄薄的吸收紫外线的氧化锌(一些防晒霜中的相同材料)，这在加速老化测试中将OPV的寿命延长了30年。“这是太阳能电池的防晒霜，”福雷斯特说。拉尔森并不是福雷斯特团队的一员，他称这是“一个巨大的成果”。

在某一方面，OPV已经比几乎所有其他能源生产技术都有明显的优势:惊人的低碳足迹。德国测试机构TüV Rheinland在评估Heliatek公司的电池板时证实，该公司的电池板每产生千瓦时的电力，在生产、操作和最终处理过程中最多会排放15公斤(kg)的二氧化碳。相比之下，硅板每千瓦时消耗49千克二氧化碳，而开采和燃烧煤炭每千瓦时消耗1008千克二氧化碳。尽管效率很低，但Heliatek公司的太阳能电池板在使用寿命内产生的能量是制造和处理太阳能电池板所需能量的100多倍。

随着OPV的效率不断创新，使用寿命不断攀升，生产方法不断进步，它们的碳足迹肯定会进一步减轻。这些趋势让人们对未来的世界充满了希望，在未来，太阳能不仅会遍布屋顶和沙漠灌木丛，还会沿着摩天大楼的曲面立面、世界之窗，以及几乎所有人们想要使用太阳能的地方。这可能会让应对气候变化的前景更加光明。