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有机太阳能电池能量转换效率取得重大突破

贸泽电子 来源:贸泽电子 作者:贸泽电子 2022-02-24 17:24 次阅读

由于在实验中的一次意外发现,发展缓慢的有机太阳能电池产业终于迎来了转机,其能量转换效率取得了重大突破。这一突破来自于电子在富勒烯分子(俗称“巴克球”)层中移动的过程。密歇根大学的科学家们在试验有机太阳能电池架构时发现了这一点。当时研究人员在有机电池的产电层上添加了两层富勒烯分子,光子在产电层撞击以驱动电子传输。

他们发现,电子在富勒烯层中移动更自由,传得更远,并且还产生了一个“能量井”(技术上称为势阱),让电子无法逃脱。当这些电子在富勒烯分子层中传输时,传输距离可达几厘米(目前的有机电池中最多只能移动几百纳米),因此能够产生更大的电流

为什么这一突破如此重要

众所周知,有机电池的导电性很弱,因为有机材料的各个分子之间有很多松散的连接键。分子之间没有高效率的导通管路,因此电子经常被捕获,最多只能移动几百纳米。对于有机太阳能电池来说,电子被捕获是限制电子移动距离的主要障碍。如果电子可以在没有阻挡的情况下自由移动,它们就能传输得更远。对于所有的太阳能电池来说都是如此,但有机电池让电子的移动遇到了更大的挑战。因为电子在被捕获之前移动的距离不够远,所以无法进入电路。这种阻碍降低了电池的导电性,并且随着自由流动的电子越来越少,能量转换效率也随之降低。因此,由聚合物等非金属半导体组成的有机太阳能电池的能量转换效率最高仅为13.1%。这种效率水平根本无法与硅基的无机太阳能电池相媲美,后者的能量转换效率为26.6%,目前已广泛应用于太阳能电池板

不过,有机太阳能电池的一些优势特性让其仍有进一步研究的价值。例如,除了采用更简单的聚合物加工技术使其具有降低成本的潜力外,有机太阳能电池还更薄、更灵活、更透明。这些特性对于将阳光高效转化为电能至关重要。此外,在建造净零能耗建筑(NZEB)或改造现有结构以提高能效时,公司可以将有机太阳能电池整合到结构本身,比如屋顶和墙壁上。在这些地方,笨重且不够灵活的硅基无机太阳能电池既不实用也不可行。另外这些有机太阳能电池还有其他优势,比如它们有多种颜色和配置,具有更好的美学效果。

导电性的突破

很明显,我们需要找到一些方法来充分发挥有机太阳能电池的潜力,而导电性的突破就是关键的一点。据密歇根大学的一篇题为《Semiconductor Breakthrough May Be a Game-Changer for Organic Solar Cells》的文章记载,研究人员在有机太阳能电池的产电层上添加了富勒烯分子层,光子在产电层撞击以驱动电子传输。他们使用一项被称为“真空热蒸发”的普通技术,对C60富勒烯进行分层,每一层都由60个碳原子组成。他们发现电子在富勒烯层中能够自由移动,而不是被困在有机分子之间的松散键中。

有趣的是,富勒烯因其可变的杂化状态、再杂化能力和弯曲的拓扑结构而被认为是优秀的受体分子。(值得注意的是,自从富勒烯在太阳能电池中的应用被发现以来,出现了一种新的高效太阳能电池,现在被称为非富勒烯受体(NFA)有机太阳能电池。它与富勒烯具有类似的电子接受特性,但显然是非富勒烯分子。)富勒烯也是电子受限材料,它们包含势(即量子)阱。一旦电子落入富勒烯分子的势阱,就很难出来。利用嵌入富勒烯层的电子阻挡层,就可以防止任何电子离开并与空穴重新结合,形成额外的障碍。

电子能够影响势阱外区域的唯一方式是通过电子隧穿。如果将量子阱并排放置,也就是说,富勒烯分子可以在一层中彼此相邻,那么它们就可以形成所谓的“超晶格”。如果量子阱之间的距离小于电子隧穿波函数的范围,那么电子波长就可以重叠并在势阱之间建立连接,从而使电子(和电流)流动。因此,通过在富勒烯层中捕获电子,分子间非常接近的势阱让电子能够畅通无阻地流动,而没有被困住的风险。

同样,由于电子可以自由移动,并且不能与产电层中的空穴重新结合,因此电子可以移动得更远,达到几厘米,而不仅仅是几纳米,从而产生更大的电流。因此,如上所述,现在可能有更大的电流,不是因为单个电子携带的能量更多,而是因为电路中流动着更多的载流子(即电荷)。最终,有机太阳能电池中具体的电流(和效率)增加情况取决于添加富勒烯之前与添加富勒烯之后相比,系统中流动的电子数量。

对行业的影响

密歇根大学的研究人员承认,这个发现只是一个开始,还要做更多的工作来改善有机太阳能电池的设计,特别是要研究还有哪些有机材料能成为优秀的电子导体。密歇根大学的工程教授Stephen Forrest预计,开发一个主流的有机太阳能电池解决方案可能需要长达10年的时间。

不过,富勒烯的发现总算为有机材料用于制造高效、透明的太阳能电池铺平了道路。例如,太阳能电池制造商可以将太阳能电池的导电电极缩小成不可见的网格,并结合有机太阳能电池的其他特性,将有机材料层压在任何物体表面上。由于有机太阳能电池所用的聚合物加工成本较低,这些解决方案可以在各种应用中实现合理的价格。不过也许这个发现所带来的最大突破是,更多的发现会催生更多的进步。

关于贸泽电子

贸泽电子(Mouser Electronics)是一家全球授权半导体和电子元器件授权分销商,服务全球广大电子设计群体。贸泽电子原厂授权分销近1,200家知名品牌,可订购数百万种在线产品,为客户提供一站式采购平台,欢迎关注我们,获取第一手的设计与产业资讯信息!

原文标题:有机太阳能电池导电性迎来新突破

文章出处:【微信公众号:贸泽电子】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。

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    发表于 04-18 20:25 165次 阅读

    LC709203F 单节锂电池电量计[智能电量计]

    03F是一款应用在单节锂电池上的电量计。它是属于我们其中一款“智能电量计”系列中的成员,采用了我们独家的运算方法 - “HG-CVR”来实现高精度。即使在不稳定的条件下(例如:改变电池;温度,负载,老化及自放电),通过“HG-CVR”的运算原理,我们可以削减库仑电量计上的精密电阻的同时,保持相同精度的电量情报(RSOC)。我们提供了2种小封装以实现业界最小的PCB面积。客户只需要做非常少的参数设定就可以简单的,快速的应用我们的产品。 特性 “HG-CVR”运算技术无需外置精密电阻 2.8%的RSOC精度即使老电池也可提供准确的RSOC 自动修正误差 功耗:3μA的工作模式 准确的电压检测:±7.5 mV 准确的时钟:±3.5% 低电量及低电压时有警报 温度补偿:通过IIC输入温度的热敏情报 检测电池的插入 IIC通讯(支持到400 kHz IIC) 应用 终端产品 针对手提设备及无线应用的电池管理 无线手机 智能手机/ PDA机器 MP3播放器 数码相机 手提式游戏机 USB关联的设备 电路图、引脚图和封装图...
    发表于 04-18 20:25 723次 阅读
    LC709203F 单节锂电池电量计[智能电量计]

    LC709501F 移动电源控制器 USB Type-C和快充TM 3.0 应用于单节锂离子电池和锂聚合物电池

    01F是一款用于移动电源的锂离子开关充电器控制器。该设备具有控制移动电源应用的所有功能。它可以控制Type-C端口控制IC,包括Quick Charge 3.0 HVDCP。内置开关控制器可输出5 V至12 V的快速充电电压。通过适当的外部MOSFET可以实现USB Type-C和快速充电的高功率输出。 特性 优势 支持带端口控制IC的USB C型DRP 用于控制Type-C端口控制IC的MCU可以省去。此外,客户无需开发MCU软件。 支持快速充电3.0 HVDCP A类.5 V最高12 V 可以消除HV Boost IC和QC通信IC。它降低了设置成本。 便携式设备通信显示智能手机上的移动电源电池信息(USB 2.0全速主机控制器)(规划) 客户可以享受智能手机屏幕上的移动电源详细信息显示 降压充电/增压充电 准备移动电源应用程序中所需的基本函数 低静态电流:低功耗模式下15μA 低功耗有助于延长电池寿命 支持5 V至12 V操作 支持一般智能手机充电电压 使用外部MOSFET轻松实现功率调节 外部MOSFET的功率调节支持30 W应用 自动USB检测 此功能已准备为基...
    发表于 04-18 20:25 3088次 阅读
    LC709501F 移动电源控制器 USB Type-C和快充TM 3.0 应用于单节锂离子电池和锂聚合物电池

    LC06111TMT 电池保护IC,集成功率MOSFET,单节锂离子电池

    信息 LC06111TMT是用于带有集成功率MOSFET的1节锂离子二次电池的保护IC。它还集成了高精度检测电路和检测延迟电路,以防止电池过充电,过放电,过流放电和过流充电。电池保护系统只能由LC06111TMT和少量外部元件制造。 充放电功率MOSFET集成 导通电阻(充放电总量)8.4mΩ(典型值) 高精度检测电压/电流在Ta = 25°C,VCC = 3.7 V 过充电检测±25 mV 过放电检测±50 mV 充电过流检测±0.9 A 放电过流检测±0.9 A 放电/充电过流检测补偿功率FET的温度依赖性 电路图、引脚图和封装图...
    发表于 04-18 20:25 214次 阅读

    LC05112CMT 电池保护控制器 集成MOSFET 1节锂离子电池

    2CMT是一款用于1节锂离子二次电池的保护IC,集成了功率MOS FET。它还集成了高精度检测电路和检测延迟电路,以防止电池过充电,过放电,过电流放电和过电流充电。电池保护系统只能由LC05112CMT和少量外部部件组成。 特性 优势 集成电源MOSSFET 简易设计 低Rsson11mΩ 低功耗 PKG保险丝修整 短TAT,高精度 减少过电流检测的分散 高安全性 低电流...
    发表于 04-18 20:22 360次 阅读
    LC05112CMT 电池保护控制器 集成MOSFET 1节锂离子电池

    LC05132C01MT 带集成MOSFET 1节锂离子电池的电池保护控制器

    2C01MT是一款用于1节锂离子二次电池的保护IC,集成了功率MOS FET。它还集成了高精度检测电路和检测延迟电路,以防止电池过充电,过放电,过电流放电和过电流充电。此外,主系统可以通过关闭LC05132C01MT的充电FET和放电FET一段时间来执行自身的上电复位,并带有复位信号。电池保护系统只能由LC05132C01MT和少量外部部件组成。 特性 优势 集成功率MOSFET 简易设计 低Rsson11mΩ 低功耗 PKG保险丝修剪 准备的短TAT 减少过电流检测的分散 高度准确检测 复位功能复位释放时间:5s(典型值)[Ta = 25°C] 更安全的嵌入式电池操作 应用 终端产 1节锂离子二次电池保护 智能手机 平板电脑 可穿戴设备 电路图、引脚图和封装图...
    发表于 04-18 20:22 279次 阅读
    LC05132C01MT 带集成MOSFET 1节锂离子电池的电池保护控制器

    LC05132C01NMT 带集成MOSFET 1节锂离子电池的电池保护控制器

    2C01NMT是一款用于1节锂离子二次电池的保护IC,内置功率MOS FET。它还集成了高精度检测电路和检测延迟电路,以防止电池过充电,过放电,过电流放电和过电流充电。此外,主系统可以通过关闭LC05132C01NMT的充电FET和放电FET一段时间来执行自身的上电复位,并带有复位信号。电池保护系统只能由LC05132C01NMT和少量外部元件制成。 特性 优势 集成功率MOSFET 简易设计 低Rsson11mΩ 低功耗 PKG保险丝修整 为准备样本排序TAT 减少过流消除的分散 高度准确的检测 复位功能复位释放时间:1s(典型值)[Ta = 25°C] 更安全的嵌入式电池操作 应用 终端产品 1节锂离子二次电池保护 智能手机 平板电脑 可穿戴设备 电路图、引脚图和封装图...
    发表于 04-18 20:22 281次 阅读
    LC05132C01NMT 带集成MOSFET 1节锂离子电池的电池保护控制器

    LC05711ARA 电池保护IC,集成功率MOSFET,单节锂离子电池

    信息 LC05711ARA是一款带有集成功率MOSFET的单节锂离子二次电池保护IC。它还集成了高精度检测电路和检测延迟电路,以防止电池过充电,过放电,过电流放电和过电流充电。电池保护系统只能由LC05711ARA和少量外部元件制成。 集成了充放电功率MOSFET 导通电阻(充放电总量)4.8mΩ(典型值) ) Ta = 25°C时高精度检测电压/电流,VCC = 3.7 V 过充电检测±25 mV 过放电检测±50 mV 充电过流检测±0.7 A 放电过流检测±0.7 A 放电/充电过流检测得到补偿功率FET的温度依赖性 ECP30 WLP封装 电路图、引脚图和封装图...
    发表于 04-18 20:22 244次 阅读

    LC05111CMT 电池保护控制器 含集成功率MOSFET 单节锂离子电池

    1CMT是一款电池保护电路,用于带有集成功率MOSFET的1节锂离子二次电池。此外,它集成了高精度检测电路和检测延迟电路,以防止电池过充电,过放电,过电流放电和过电流充电。电池保护系统只能由LC05111CMT和少量外部部件制成。 特性 优势 集成功率MOSFET 简易设计 低Rsson11mΩ 低功耗 PKG保险丝修整 准备样品的短TAT 减少过电流检测的分散 高度准确的检测 应用 终端产品 锂离子电池保护 智能手机 平板电脑 电路图、引脚图和封装图...
    发表于 04-18 20:22 371次 阅读
    LC05111CMT 电池保护控制器 含集成功率MOSFET 单节锂离子电池

    BQ40Z60 bq40z60 完整多节电池管理器

    信息描述德州仪器 (TI) bq40z60 器件是一款可编程的电池管理单元,其集成有电池充电控制输出、电量监测和相关保护功能,能够完全自主地操作 2 至 4 节串联锂离子和锂聚合物电池组。此架构在电量监测处理器与电池充电器控制器之间实现内部通信,从而在系统负载瞬变和适配器电流限制期间根据外部负载条件和电源路径来源管理来优化充电量。可通过 NFET、电感和感测电阻等外部元件针对具体功率传输情况来调节充电电流效率。 该器件提供了电池阵列和系统安全功能,包括电池放电过流、充电短路和放电短路保护,以及针对 N 沟道 FET 的 FET 保护、内部 AFE 看门狗和电池断开连接检测。器件可通过固件提供更多保护 功能, 包括过压、欠压、过热等。特性全集成 2 节至 4 节串联锂离子或锂聚合物电池管理单元Pack+ 上的输入电压范围:2.5V 至 25V电池充电器效率 > 92%电池充电器工作范围:4V 至 25V针对外部 N 沟道场效应晶体管 (NFET) 的电池充电器 1MHz 同步降压控制器软启动,限制浪涌电流外部开关限流保护可编程充电支持 JEITA/增强型充电模式 电量监测用于库伦计数器的 16 位高分辨率积分器16 位模数转换器 (ADC),通过 16 通道多路复用器...
    发表于 04-18 19:10 334次 阅读

    BQ34Z110 用于铅酸电池的采用 Impedance Track™ 技术的宽量程电量测量计

    信息描述 德州仪器 (TI) bq34z110 是一款独立于电池串联配置之外工作的电量计解决方案,此解决方案支持铅酸化学电池。 通过一个外部电压转换电路,可支持 4V 至 64V 的电池,可对此电路进行自动控制以减少系统功耗。bq34z110 器件提供几个接口选项,其中包括一个 I2C 从接口、一个 HDQ 从接口、一个或者四个直接 LED 接口、和一个警报输出引脚。 此外,bq34z110 提供对于外部端口扩展器(支持多于四个 LED)的支持。特性 支持铅酸化学电池 使用获得专利的 Impedance Track 技术,用于电压范围为 4V 至 64V 的电池老化补偿 自放电补偿支持的电池容量超过 65Ahr 支持高于 32A 的充放电电流 外部负温度系数 (NTC) 热敏电阻支持 支持两线制 I2C 和与主机系统进行通信的 HDQ 单线制通信接口 安全哈希算法 (SHA)-1,哈希消息认证码 (HMAC) 认证 一个或者四个直接显示控制 五个 LED 和通过端口扩展器的更多显示 精简的功率模式(典型电池组运行范围条件)正常运行:平均值 < 140µA 睡眠模式:平均值 < 64µA 完全睡眠模式:平均值 < 19µA 封装:14 引脚薄型小外形尺寸封装 (TSSOP)电路图、引脚图和封装图...
    发表于 04-18 19:10 314次 阅读

    BQ40Z50 1 节、2 节、3 节和 4 节锂离子电池组管理器

    信息描述 bq40z50 器件采用已获专利的 Impedance Track 技术,是一款基于电池组的单芯片全集成解决方案,针对 1 节、2 节、3 节和 4 节串联锂离子或锂聚合物电池组提供电量监测、保护及认证等一些列丰富的功能。bq40z50 器件利用其集成的高性能模拟外设,测量锂离子或锂聚合物电池的可用容量、电压、电流、温度和其他关键参数,保留准确的数据记录,并通过 SMBus v1.1 兼容接口将这些信息报告给系统主机控制器。 bq40z50 器件为主机系统提供最大的功率和电流,从而支持 Turbo 升压模式。 该器件还支持电池跳变点,从而在预设的充电阈值状态向主机系统发送 BTP 中断信号。 bq40z50 针对过压、欠压、过流、短路电流、过载和过热情况,以及其他电池组和电池相关故障提供基于软件的 1 级和 2 级安全保护。具有针对认证码密钥的安全内存的 SHA-1 认证能够识别真正的电池组。这个紧凑的 32 导线 QFN 封装在尽可能地提供电池电量测量应用的功能性和安全性的同时,最大限度地降低解决方案成本和智能电池的尺寸。特性全集成 1 节、2 节、3 节和 4 节串联锂离子或锂聚合物电池组管理器及保护 下一代已获专利的 Impedance Track 技术可准确测量锂离子和锂聚合物电池...
    发表于 04-18 19:10 1658次 阅读

    BQ27545-G1 单节、电池组端 Impedance Track 电量监测计

    信息描述bq27545-G1 锂离子电池电量计是一款微控制器外设,此外设能够提供针对单节锂离子电池组的电量计量。此器件只需开发较少的系统微控制器固件即可实现精确的电池电量计量。bq27545-G1 安装于电池组内或者带有一个嵌入式电池(不可拆卸)的系统主板上。 bq27545-G1 使用已经获得专利的 Impedance Track™ 算法来进行电量计量,并提供诸如剩余电量 (mAh)、充电状态 (%)、续航时间(最小值)、电池电压 (mV) 和温度 (°C) 等信息。该器件还提供针对内部短路或电池端子断开事件的检测功能。bq27545-G1 还 具有 针对安全电池组认证(使用 SHA-1/HMAC 认证算法)的集成支持功能。 该器件还采用 15 焊球 Nano-Free™ DSBGA 封装 (2.61 mm × 1.96 mm),非常适合空间受限的 应用。特性适用于 1 节 (1sXp) 锂离子电池的电池电量计 应用 支持高达 14500mAh 的容量 微控制器外设提供:用于电池温度报告的内部或者外部温度传感器安全哈希算法 (SHA)-1 / 哈希消息认证码 (HMAC) 认证使用寿命的数据记录64 字节非易失性暂用闪存 基于已获专利的 Impedance Track™技术的电池电量计量用于电池续航能力精确预测的电池放电模拟曲线针对电池老化、电...
    发表于 04-18 19:10 415次 阅读

    BQ27010 单节锂电池和锂聚合物电池电量监测计 IC

    信息描述The bqJUNIOR™ series are highly accurate stand-alone single-cell Li-Ion and Li-Pol battery capacity monitoring and reporting devices targeted at space-limited, portable applications. The IC monitors a voltage drop across a small current sense resistor connected in series with the battery to determine charge and discharge activity of the battery. Compensations for battery age, temperature, self-discharge, and discharge rate are applied to the capacity measurments to provide available time-to-emptyinformation across a wide range of operating conditions. Battery capacity is automatically recalibrated, or learned, in the course of a discharge cycle from full to empty. Internal registers include current, capacity, time-to-empty, state-of-charge, cell temperature and voltage, status, and more.The bqJUNIOR can operate directly from single-cell Li-Ion and Li-Pol batteries and communicates to the system over a HDQ one-wire or I2C serial interface.特...
    发表于 04-18 19:10 342次 阅读

    BQ27541-G1 具有集成 LDO 的电池组端 Impedance Track 电池电量监测

    信息 Texas仪器bq27541-G1锂离子电池电量计是一种微控制器外围设备,可为单节锂离子电池组提供电量计量。该器件几乎不需要系统微控制器固件开发来实现精确的电池电量计量bq27541-G1位于电池组内或系统主板上,带有嵌入式电池(不可拆卸)。 bq27541-G1使用获得专利的Impedance Track™算法进行电量计量,并提供剩余电池容量(mAh),充电状态(%)等信息,运行时间为空(最小),电池电压(mV)和温度(°C)。它还提供内部短路或制表断开事件的检测。 bq27541-G1还使用SHA-1 / HMAC认证算法集成了对安全电池组认证的支持 优势特点 用于1系列(1sXp)锂离子电池应用的电池电量计32Ahr容量 微控制器外设提供: 精确的电池电量计支持高达32Ahr 用于电池温度报告的内部或外部温度传感器 SHA-1 / HMAC认证 终身数据记录 > 64字节的非易失性划痕垫FLASH 基于专利阻抗跟踪技术的电池电量计量 模型电池放电曲线,用于准确的时间到空预测 自动调整电池老化,电池自放电,&n温度/速率低效 低值检测电阻(5mΩ至20mΩ) 高级电量计功能 内部短暂检测 标签断开检测 ...
    发表于 04-18 19:10 682次 阅读

    BQ24278 具有电源路径的 2.5A 单输入单节开关模式锂离子电池充电器

    信息描述 bq24278 高度集成的单节锂离子电池充电器和系统电源路径管理器件针对空间有限且带有高容量电池的便携式应用。 单节充电器由一个诸如 AC(交流)适配器或者无线电源的专用充电源供电运行。此电源路径管理特性使得 bq24278 能够在为电池独立充电的同时从一个高效 DC 到 DC 转换器为系统供电。 此充电器一直监视电池电流并在系统负载所需电流超过输入电流限制时减少充电电流。 这样可实现正常的充电终止和定时器运行。 系统电压被调节至电池电压,但不会下降至低于 3.5V。 最小系统电压支持使得此系统能够与一个残次品或者有缺失的电池组一起运行并且即使在电池完全放电或者无电池的情况下也可实现瞬时系统启动。 当适配器不能传送峰值系统电流时,此电源路径管理架构还允许电池补充系统电流需要。 这样可使用较小的适配器。 电池充电经历以下三个阶段:充电,恒定电流和恒定电压。 在所有的充电阶段,一个内部控制环路监视 IC 结温并且在超过内部温度阀值的情况下减少充电电流。 此外,bq24278 提供一个基于电压的电池组热敏电阻器监控输入 (TS) 来监控电池温度以保证安全充电。特性 具有独立电源路径控制的高效开关模式充电器从深度放电电池或者在无电...
    发表于 04-18 19:10 461次 阅读