报告显示，中国在25个研究前沿领域表现卓越，约占18%。其中，中国在植物基因组编辑技术、华北克拉通、聚合物太阳能电池、粲物理等前沿主题做出了突出贡献。

 

 

 

现如今，能源问题已经成为全球关注的共同话题，各国也在不断尝试和发展新能源及再生能源，如太阳能、地热能、潮汐能、核聚变能等。其中，太阳能作为新能源的一种，由于技术相对成熟，广受各国青睐，而中国已经成为全球最主要的太阳能市场。因此，今天我们就来说说此次入选《2017研究前沿》的聚合物太阳能电池。

 

聚合物太阳能电池原理

 

聚合物太阳能电池基本原理是利用光入射到半导体异质结构或金属半导体界面附近产生的光生伏打效应。光生伏打效应是光激发产生的电子空穴对-激子被各种因素引起的景点势能分离产生的电动势的现象。

 

当光子入射到光敏材料时，光敏材料被激发产生电子和空穴对，在太阳能电池内建电场的作用下分离和传输，然后被各自的电极收集。在电荷传输的过程中，电子向阴极移动，空穴向阳极移动，如果将器件的外部用导线连接起来，这样在器件的内部和外部就形成了电流。

 

作为关键器件，聚合物太阳能电池性能参数直接决定了其应用领域。为此，各国研究人员在其性能改进方面投入了大量研究，包括改善光吸收、提高迁移率、新型材料及理论探索等。

 

聚合物太阳能电池发展历程

 

1977年，艾伦˙黑格等三位科学家共同发现碘掺杂可使聚乙炔的电导率提高上千万倍，即在一定的条件下，聚合物可以像金属一样导电，从而开创了一个全新的应用领域，并因此获得2000年诺贝尔化学奖。

 

1982年，温伯格等人通过研究聚乙烯的光伏性质，制造出了第一个具有真正意义的太阳能电池，当时转换效率仅为（10-3%）。随后，哥勒尼斯等人制作了聚噻吩太阳能电池，但都没有突破转化率问题。

 

1992年，萨利奇夫奇等人发现2-甲氧基-5-（2-乙基-乙氧基）-1,4-苯乙炔（MEH-PPV）与C60复合体系中存在快速光诱导电子转移现象，随之共轭聚合物/C60复合体系在太阳电池中的应用得到迅速发展。

 

2004年，Alam等人利用MEH-PPV为电子供体，BBL为电子受体制作的纯聚合物双层太阳能电池器件的能量转换效率达到4.6%，这在当时也是最好纪录。

 

2005年，Heeger课题组采用新颖的器件制作方法，制作出的聚（3-已基噻吩）P3HT与PCBM（富乐烯衍生物）掺混的本体异质结电池薄膜经150℃退火后，所得电池器件转换效率高达5%。

 

国内聚合物太阳能电池新进展

 

中国科学院化学研究所高分子物理与化学实验室侯剑辉课题组研究人员持续围绕叠层有机光伏电池关键材料和器件制备开展了大量研究。研究人员围绕基于聚合物-富勒烯的有机光伏电池，系统优化了宽带隙和窄带隙的光伏活性层材料以及相应的叠层器件制备方法，在2015年和2016年分别实现了10%和11%的光伏效率，达到国际领先水平。

 

建物构所结构化学国家重点实验室郑庆东课题组首次将不对称茚并噻吩作为构筑单元用于系列新型聚合物太阳能电池材料的设计与合成。基于所合成的聚合物材料，该团队成功制备了9.14%的高转换效率的太阳能电池。

 

 

聚合物太阳能电池（PSCs）的转换效率虽然可能永远无法和主流市场上的硅晶、无机太阳能电池相提并论，但一份新发布的论文强调，这类有机电池可在远距离供电方面大放异彩。

 

有机聚合物太阳能电池顾名思义，是利用有机聚合物吸收光线并将其转化为电力，因可大量制备、价格相对低廉、材料无毒、成品柔软可弯曲等特性，使其虽然耐用性和转换效率无法与无机太阳能电池匹配，但仍在光伏应用方面很有前途。

 

 

 

 

过去20年里，有机聚合物太阳能电池相关研究发展迅速，专利数量不断增加，但事实上这种新兴技术不可能大片取代传统的无机、硅晶太阳能电池，那它们究竟能在哪儿发挥用武之地？最近俄亥俄州立大学（Ohio State University）电机工程学家Paul Berger、研究助理Minjae Kim在《Renewableand Sustainable Energy》期刊上发布论文，探讨有机聚合物太阳能目前的最新进展与挑战。

 

研究人员认为，PSCs和无机太阳能电池应该互补，比如前者能绕过高压输电线（transmissionline）为设备提供电力，简单地替杂货店灯饰或食品包装上的感测器供电。由于有机太阳能电池本身多是塑料（聚合物），灵活、薄巧且透明，很适合结合在背包、外套夹克甚至是咖啡奶精或窗户表面上，是一个颠覆性的新商业模式。

 

至于有机电池现在面临的挑战，第一无外乎使用寿命有限。由于聚合物和电池活性金属阴极暴露在水与氧气环境时会氧化，导致性能衰退，必须加以封装保护，但想封装柔软的电池比硬性电池更具挑战性。

 

而目前聚合物太阳能电池在实验室中的转换效率只有13%，远低于商用太阳能电池的20%（后者目前最高记录效率达26.6%），但研究人员指出，随着串联型太阳能电池的发展，有机太阳能电池也有机会在未来透过分工合作获取更高转换效率。

 

美国与欧洲一些公司都在努力将可行聚合物太阳能电池推向市场，如果成功，PSCs就可以在市场上打下自己一片天地，专为各种远程设备供电。