未来太阳光电产业或许再也不是硅晶电池的天下！近日俄罗斯、法国与哈萨克联合团队研发出可装置于屋顶的有机太阳能电池，转换效率高达 10.2%，有望改变将来屋顶太阳能系统的主要材料。
得益于太阳光电与储能系统成本下滑，绿能屋顶越来越受欢迎，2017 年全球屋顶太阳能装置量已达 400GW，安装太阳能板俨然成为住家与企业节省电费与爱护地球的表现。
现在屋顶太阳能材料多以硅晶为主，但以大规模商业化的技术而言，转换效率预期很难超过 25%，因此科学家一直在寻找另一个太阳能明日之星，而具有可挠特性、制造简易与材料成本低廉的有机太阳能电池便是主要候选人之一。
为了找出高效且可商业化的有机材料，莫斯科物理技术学院（MIPT）、莫斯科国立大学、法国史特拉斯堡大学（UDS）、里昂大学、法国米卢斯材料科学研究所（IS2M）、法国国家同步辐射实验室、哈萨克纳札巴耶夫大学组成团队，并在有机聚合物中添加氟原子，成功将有机太阳能转换效率从 3.7% 跃升至 10.2%。
而此方法为著名的氟化反应（fluorination），先前就有研究指出该方式可增加太阳光电转换效率，不过背后原因一直是个谜团，在此之前都没有任何一组科学团队成功破解，新研究除了进一步提升有机太阳光电转换效率，也同时找出材料运作原因：氟化反应会改变材料内部结构，有效提升电池性能。
▲ 右为氟化后的材料结构。（Source：莫斯科物理技术学院）
实验测试的材料分子结构相当复杂，由多个重复单元组成，单元包括含硫杂环化合物（sulfur heterocycles）和具有许多支链的链状烃。为找出光电特性最好的材料，研究员不断最佳化实验，像是添加氟原子跟改变侧链长度，而最后团队也终于如愿以偿地大大提高光电转换效率与电输出。
研究也针对材料进行微观结构研究（microscopic structure），X 光分析指出，该材料内部结构排列相当有秩序，分子流动性也高，可说是个良好的电荷载体，十分适合用在太阳能电池。
虽然目前太阳能电池转换效率尚不及硅晶电池，但最佳化材料与研究之后，转换效率或许可进一步超越硅晶太阳能电池。根据过去研究，有机太阳能电池最高理论效率达 30%，比硅晶太阳能的 29% 还要高。
MIPT 功能性有机与混合材料研究所教授 Dimitri Ivanov 指出，这项研究主要挑战在于如何打造更高的分子能阶并提升光转换效率，且为增加电荷输送到电极的速度，团队也必须研制出超分子结构。
该研究将有助于提升有机太阳能电池进展，Ivanov 表示，与硅晶太阳能相比，有机太阳能电池制作步骤较少，且由于其具有可挠特性，该种太阳能电池也可以装置在屋顶，显然相当看好有机太阳能电池应用潜力。目前研究已发表在《Journal of Materials Chemistry A》。
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