如何把太阳能电池“打印”出来？｜主编点评

“给少年的科学前沿”系列（4）

撰文  Jacobus Johannes Van Franeker，Rene A.J. Janssen（荷兰高分子研究所，埃因霍温理工大学）

翻译  姚旋

编辑/校对  李娟

主编的话

单晶硅做的太阳能电池有很高的效率，可高达29%（也就是把29%的太阳能转换成电能）。单晶硅太阳能电池寿命也很长，其效率不会在日照下退化。可惜单晶硅太阳能电池太贵了，无法普及并产生正的经济效益。另一种太阳能电池——非晶硅太阳能电池则非常便宜，可以大规模生产。但其效率就低了很多，只有10%，在被太阳光照射几个小时后，效率还会继续降低（降至7%左右）。

这篇文章介绍的太阳能电池是塑料做的，可以通过打印便宜地大规模生产，比非晶硅太阳能电池还要便宜。但其效率却更低，只有1.5%到5.5%。另外，塑料在阳光下容易分解，寿命短也是塑料太阳能电池的一个大问题。如果寿命问题能够解决，而且能把效率提高到10%以上，那么塑料太阳能电池就可以被广泛推广，从而带来正的经济效益。所以，目前的非晶硅太阳能电池和塑料太阳能电池，都需要进一步努力提高性能，从而成为产生经济效益的新能源。

一个具有10%效率的太阳能电池，到底能产生多少电能？中午的时候，每平方米的太阳能，差不多是1300瓦。假如一块太阳能电池板的面积为10平方米。那么它最多将能产生1300x10x10%=1300瓦的电能。这足以带动一台空调机（其功耗大约为600瓦）。我们看到，10%效率的太阳能电池已经能产生足够的能量，供家庭使用——特别是当屋顶面积比较大的时候。此时，主要的挑战是价格问题和寿命问题。另外，我们还需要高容量且便宜的蓄电池，把白天产生的电能储存到晚上或阴天时使用，这也是一个重大挑战。

目前，已经有公司在整体设计太阳能住宅，在屋顶全部装太阳能电池，蓄电池则装到墙里（如上图所示）。希望在不远的将来，随着太阳能电池技术和汽车蓄电池技术的发展，此类太阳能住宅可以成为经济的选择。

——文小刚

太阳能电池可利用大自然中免费的阳光来发电。但是，目前使用太阳能发电并不便宜，因为太阳能电池板的售价相对昂贵。试想一下，如果像打印报纸一样把太阳能电池板打印出来，是否能降低制作成本呢？答案是肯定的，一种用塑料做的太阳能电池可以达到这个目的。

在本文中，我们将为大家介绍这类新型塑料太阳能电池的基本工作原理，也为大家展示一种可以让太阳能转换效率提高三倍的特殊添加材料。这种特殊添加材料有着魔法般神奇的功能。不过，作为科学家的我们明白，现实中真正的魔法实属罕见，倒不如去搞清楚它为什么有此功能以及是如何发挥魔力的。

小黑板

能量活性层：塑料太阳能电池中最重要的部分。光能在这一层被转换成正负电荷。

添加剂：一种小分子化合物。能够在加入“塑料墨水”后影响活性层的形成，但风干后并不会残留在太阳能电池中。

电子显微镜：常规的光学显微镜通过光学透镜来放大所观测物体的显微结构。如果想观察光学显微镜观察不到的结构，就需要使用电子显微镜。电子显微镜使用电子观测物体，不需要光学透镜。

墨水：一种由溶剂和固体颗粒组成、可以被打印或覆盖在物体表面的混合物。被打印或覆盖后，液态的溶剂挥发，固态颗粒附着在所接触的表面。

界面：两种不同物质的边界接触的地方。

聚合物：一种长分子结构，类似于煮过的意大利面，但是尺寸是意大利面的百万分之一。塑料是由聚合物组成。

旋转覆膜：一种用于形成薄膜包被层的包被技术。少量油墨被滴于快速、水平旋转的玻璃片表面。油墨分散、风干之后，一层薄的包被层覆盖在玻璃片表面。

便宜的太阳能电力

当你在阅读这篇文章的时候，你的电脑肯定在消耗着电能。电能从何而来？2013年，在美国所使用的电能约有67%来自以燃烧煤炭和天然气为基础的火力发电。^[1] 但是，火力发电同时也导致了严重的空气污染和气候改变。而且，一旦煤炭和天然气资源耗竭了，电力的来源是否将面临危机呢？

其实，自然界有一种更利于环保的洁净能源：太阳能，这可是免费的噢！即使在多云天气，太阳都能够以光能的形式为地球提供能量。太阳能电池板可以将光能转化为电能。但问题在于太阳能电池板现在造价很高。如果能设法降低它的造价，我们就能充分利用太阳光，来获取便宜的电力。

把塑料太阳能电池打印出来

最近，科学家使用“打印”这种新方法来制作太阳能电池。说到打印，很多人首先想到的是类似于打印书籍的打印方式。其实，我们还可以运用特殊的打印机来打印塑料制品。塑料是由很长的分子聚合物构成。在放大倍数很高的显微镜下，你可以观察到这种聚合物，它们看起来像烹调过的意大利面，实际上只有意大利面的百万分之一那么大。

如何打印塑料制品呢？很简单，只要把家用打印机的普通墨盒换成存有“塑料墨水”的墨盒即可。“塑料墨水”里有溶解在特定溶液中的两种聚合物。打印塑料制品的时候，溶液会风干，两种聚合物能够形成一层薄膜。用于打印塑料太阳能电池的“塑料墨水”含有一种特殊的聚合物，正是这种聚合物把太阳光能转换成了电能。

塑料太阳能电池可以被打印在成卷的柔性金属箔上。最新技术已经能够打印100米长的太阳能电池。^[2] 但是，和市场上出售的造价昂贵的太阳能电池板相比，打印的塑料太阳能电池转换能源的效率很低，只有1.5%，远远不及前者的15-20%。虽然如此，塑料太阳能电池的前景不容小觑。全球的实验室都在致力于提高打印太阳能电池的能源转换效率，目前最高已达12%。^[3]

科学家发现，向“塑料墨水”中加入一种添加剂能够提高能源转换效率。这种添加剂的发现是个巧合^[4]，我们还不知道它为何有此功用。塑料太阳能电池的工作原理是什么呢？这个问题很难回答，科学家们已经花费了数年时间研究这个领域。作为这篇文章的背景介绍，我们将在以下两部分文字介绍塑料太阳能电池工作原理的关键。如果你对添加剂与能源转换效率更感兴趣，你可以跳过下面两部分内容。

塑料太阳能电池如何将光能转换为电能

首先，让我们来了解一下塑料太阳能电池的结构。

塑料太阳能电池是附着在玻璃或者柔性金属箔表面的一层塑料物质。在实验室中，我们所用的玻璃板带有透明的正极电触头。“塑料墨水”被铺设在正极电触头上，作为光能向电能转换的介质。这种“塑料墨水”包含两种聚合物，一种是绿色的较长的聚合物，另一种是红色的较短的聚合物。这两种聚合物形成混合层（图1），用作负极电触头的金属层覆盖在混合层上。组装完毕后，整个装置倒置于阳光下，使阳光透过玻璃激活下层的光能-电能转换装置。

图1. 塑料太阳能电池结构示意图

经过阳光照射，两种聚合物的界面处会形成正负电荷。带负电的电子会向太阳能电池的负极移动，正电荷会向正极移动。这种正负极与电池的正负极是一样的，只是其能量来源于太阳。只要阳光持续普照大地，它就是取之不尽的。

如图所示，我们想要的正是红绿聚合物所形成的结构。两种聚合物必需有大面积的接触，因为阳光只能在二者接触的地方产生电荷。当阳光被吸收，正负电荷就形成了（如图中黄色星形所示）。通常情况下，由于正负相吸，抵消了所形成的电能。而塑料太阳能电池的两种不同的红绿聚合物能够使正负电荷分开，并流向相应的电极。就这样，光能转换成的电荷形成了电流。这多么振奋人心啊：我们通过利用免费的太阳光和便宜的塑料就能发电了！

塑料聚合物是什么样的

即使是用常规显微镜，红绿聚合物也很难被观察到，因为它们的尺寸太小了。只有电子显微镜能直接观察这两种聚合物。电子显微镜并非通过光学放大来观察微观结构，而是通过观察电子分布的规律来获取信息。图2就是通过电子显微镜拍摄到的塑料太阳能电池的微观结构，具体来说，是发生光能-电能转换过程的活性层。之所以我们看到的是明暗相间而不是红色和绿色的图像，是因为电子显微镜并不能识别光学概念上的色彩。

图2左图显示的是转换效率较低的塑料电池。由于两种颗粒较大的聚合物混合在一起，二者接触面积太小，导致能量转换效率只有1.5%。相反，右图的两种聚合物经过充分分散后混匀，以至于在电子显微镜下都很难观察到差别，意味着形成了足够大的接触面积，将能量转换效率提高了三倍，超过了5%。尽管这种太阳能电池并不是最理想的，但这有助于我们理解塑料太阳能电池的工作原理。

图2. 电子显微镜下观察到的太阳能电池

左图是较差的电池，有大颗粒，使得两种聚合物间接触面积小，能量转换效率只有1.5%；右图是较好的电池，是非常细微的纤维结构，大大增加了两种聚合物之间的接触面积，能量转换效率为5.5%。图中的比例尺相当于一米的百万分之一。

神奇的特殊添加剂

如何提高塑料太阳能电池的转换效率呢？奥妙就是在能量转换活性层加入一种特殊的液态添加剂。少量的添加剂加到“塑料墨水”里，打印后它会慢慢地风干。它的神奇作用在2007年首次被发现，其原理却未知。

在这里，我们首先了解一下它的功能，看能不能从中理解它的工作原理。

如图3所示，能量转换活性层的制备采用的是油墨水平旋转覆膜技术。具体来说，首先将红绿两种聚合物混合成液态的“塑料墨水”，并滴至玻璃板表面，然后通过快速水平旋转玻璃板而使墨水均匀分散并即刻风干，最终形成薄膜层。但是，红色聚合物在风干的过程中会形成较大的颗粒，导致所形成的太阳能电池效率低下。加入特殊的添加剂能够使风干时间延长五倍，避免了大颗粒的形成。

图3. 通过水平旋转覆膜制备塑料太阳能电池

水平旋转覆膜是一种用于制备薄膜的技术。图中显示的是从侧面观察到的这个过程。如果从顶部向下观察，这个过程和制作陶器时使用的传动轮类似。左图：将含有或不含添加剂的“塑料墨水”滴在玻璃板上。中间图：通过高速旋转使油墨均匀分散在玻璃表面，进而形成薄膜。右图是对所得到的活性层的比较说明：在没有添加剂的情况下，“塑料墨水”会在一秒内完全风干，导致红色聚合物迅速聚合成大颗粒，大大降低太阳能电池的能源转换效率；与之相反，添加剂的加入延长薄膜风干形成的时间，利于红色聚合物充分分散，提高能源转换效率。

特殊添加剂大揭秘

神奇的添加剂到底是如何发挥魔力的呢？针对旋转覆膜技术中的风干过程，我们设计了一套新的实验装置来探索其中的奥妙。

我们用激光照在快速旋转的玻璃板上，如果有聚合物颗粒形成，激光的反射就会发生变化。通过观察激光的反射情况，我们发现没有添加剂的活性层，在风干的后期不仅有大颗粒聚合物形成，而且之后绿色聚合物的颜色竟发生了改变！

为何会有颜色的改变呢？如前面所讲，绿色聚合物是一种较长的分子，具有柔性，能像蜷曲的蛇那样发生折叠。而折叠后的聚合物分子由绿色变成了深绿色。

在我们的实验条件下，我们可以通过监测激光反射情况，来确定聚合物颜色何时发生改变。通过比较，我们发现与不加添加剂相比，添加剂能使绿色聚合物的折叠发生的更早，甚至在红色聚合物的大颗粒形成之前发生。这是由于添加剂和绿色聚合物彼此排斥，后者通过迅速折叠来避开前者的影响。折叠后的聚合物能很好的阻止大颗粒的聚合，从而形成混合更加均匀的活性层。这就是神奇添加剂的奥秘（图4）。

图4. 特殊添加剂工作原理示意图

上图：用于包被玻璃板表面的液态“塑料墨水”中红绿两种聚合物的分布情况。在这种状态下，两种聚合物是均匀分布的。在旋转覆膜的过程中，用于溶解两种聚合物的溶剂会风干。下图（左）：没有添加剂的时候，风干过程会促使红色聚合物聚合成较大的颗粒。下图（右）：使用添加剂以后，情况就变得不同。这是因为添加剂促使绿色聚合物迅速折叠，能阻碍红色聚合物形成体积较大的颗粒。

小结与展望

塑料太阳能电池有着很好的应用前景，因为可在大面积的柔性金属箔上将其打印出来，大大降低了制作成本。通过在“塑料墨水”中使用神奇的添加剂，可将电池的能源转换效率提高三倍。在一套新的实验装置的帮助下，我们通过观察“塑料墨水”的风干过程，揭开了特殊添加剂发挥魔力的秘密，发现它能够加速绿色聚合物折叠，进而防止红色聚合物形成较大颗粒，使能量转换活性层中两种聚合物能够更充分的接触，确保光能被高效地转换为电能。

回顾过去，众多研究人员辛苦劳作，致力于优化太阳能电池的研究，但也只有那些足够幸运的人有所收获。现在，因为认识到风干工艺的重要，我们得以探寻更多技巧去优化太阳能电池。我们相信在不远的将来，为了实现以低廉的成本获取高效的电能，打印的塑料太阳能电池将大有所为。

通过阅读以上内容，试试看，你能否说出以下问题的答案？

   1.    和现有的太阳能电池相比，塑料太阳能电池的优势在哪？

   2.    塑料太阳能电池的主要缺点是什么？

   3.    特殊的添加剂在制备太阳能电池的过程中有什么重要作用？

   4.    为什么这项实验推动了太阳能电池技术的发展？

参考文献：

[1] U.S. Energy Information Administration. 2015. Monthly Energy Review. Available from: http://www.eia.gov/

[2] Krebs, F. C., Espinosa, N., Hösel, M., Søndergaard, R. R., Jørgensen, M. 2013. 25thanniversary article: rise to power – OPV-based solar parks. Adv. Mater. 26:29–39. doi: 10.1002/adma.201302031

[3]  Yusoff, A. R. B. M., Kim, D., Kim, H. P., Shneider, F. K., da Silva, W. J., Jang, J. 2015. High efficiency solution processed polymer inverted triple-junction solar cells exhibiting conversion efficiency of 11.83%. Energy Environ. Sci. 8:303–16. doi: 10.1039/C4EE03048F

[4] Peet, J., Kim, J. Y., Coates, N. E., Ma, W. L., Moses, D., Heeger, A. J., et al. 2007. Efficiency enhancement in low-bandgap polymer solar cells by processing with alkane dithiols. Nat. Mater. 6:497–500. doi: 10.1038/nmat1928

审稿人：

来自法美国际学校的学生（12～13岁）：位于旧金山的市中心，法美国际学校是一所独立的Pre K-12年级的国际学校，拥有1080名学生。中学和中学前的教育阶段，我们采用的是双语浸透授课项目，有助于学生在接下来的国际高中期间完成法语或国际文凭课程。无论是双语项目还是学校的普通课程，我们一直重视自然科学的学习。近年来，通过启动高年级科学俱乐部、在低年级开设“Tinker Space”项目、在高年级开设“Design Lab”项目，加强了自然科学的教学。学生和教师通过这些项目能够更好地进行交叉学科的跨学科科研设计。

本文译自Frontiers for Young Minds网站。

原文标题：Plastic solar cells: understanding the special additive

原文链接：https://kids.frontiersin.org/article/10.3389/frym.2015.00009

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