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高通量光学模拟助力半透明有机太阳能电池,早日实现窗户发电

高通量光学模拟助力半透明有机太阳能电池,早日实现窗户发电

    有没有一扇窗户既能透光又能发电?半透明光伏电池(ST-PVs),既能透光又可以吸收光能发电的新型太阳能电池,可用于建筑外窗或汽车的发电玻璃。为了获得良好的透光和发电能力,在光活性材料的选择上高性能ST-PVs需要选用能够兼顾透光性和波长选择吸收的光活性材料。在众多半导体材料中,有机半导体由于具有高度可调的光学性质和优良的半导体性质,在ST-PVs领域有着巨大的应用潜力。除了光活性材料,向ST-PVs中引入具有波长选择性(例如:反射UV或NIR光)的一维光子晶体(PCs)也有利于进一步提升ST-PVs的光电转化性能。

     近日,华南理工大学曹镛院士(通讯作者)等人提出了一种利用高通量模拟方法,用以指导高性能半透明有机太阳能电池(ST-OSCs) 的设计和开发。通过对数千万器件进行仿真模拟,得到具有能量转换效率(PCE)接近11%、可见光透过率(VLT)达30%的光子晶体增强的ST-OSCs的电池结构。在此基础上,作者基于PTB7-Th:PC71BMPTB7-Th:IEICO-4F制备得到PCE=8.32%和10.83%,VLT=31.4%和29.5%的半透明有机太阳能电池。

    该方法具有良好的普适性,尤其适用于多目标、多厚度的协同优化,可以广泛用于有机光伏材料体系,甚至诸如钙钛矿太阳能电池等光伏器件或光探测器的光学设计,因此具有巨大的应用前景。

【文章背景】

    为了满足对可再生能源日益增长的需求,半透明光伏电池作为建筑和汽车的发电窗户受到了广泛关注。尽管商业硅基电池在性价比方面有着其他太阳能电池无可比拟的优势,然而其固有的性质决定了硅基太阳能电池无法应用于ST-PVs领域。理想的ST-PVs不仅需要拥有适宜的可见光透过能力,更应是波长选择性的。高性能的ST-PVs在波长选择上的表现为:1. 应尽可能少地吸收可见光波段光子;2. 其吸收光谱范围主要落在紫外和近红外波段上。因此实现具有最优能量转换效率和可见光透过率的平衡,是ST-PVs迈向建筑和汽车发电窗等新应用的重要一步。

【研究内容】

     选取PTB7-Th:PC71BM和PTB7-Th:IEICO-4F作为活性体系,PTB7-Th:IEICO-4F在可见光范围内对光的反射和消光系数均更小;而在近红外波段上PTB7-Th:IEICO-4F的吸光能力较强。随后,作者利用高通量光学模拟计算了一维光子晶体对ST-OSCs性能的增强作用。此外,在电池透明度的衡量方面,使用可见光透过率(VLT)作为性能指标。如图1D所示为模拟得到的电池的光电转化效率与可见光透过率的关系。其中插图为黑点对应位置放大8000倍后的散点图。由图可知:相比PTB7-Th:PC71BM基太阳能电池,PTB7-Th:IEICO-4F基电池由于在近红外波段更优的吸收和本身更好的性能,因此在性能表现上也整体优于PTB7-Th:PC71BM基太阳能电池。

高通量光学模拟助力半透明有机太阳能电池,早日实现窗户发电 图1. 高通量光学模拟PTB7-Th:PC71BM和PTB7-Th:IEICO-4F基半透明有机太阳能电池。(A) PTB7-Th、PC71BM和IEICO-4F的分子结构;(B) PTB7-Th、PC71BM和IEICO-4F的光学常数;(C)器件结构示意图及各层材料的厚度;(D)上述所有模拟的电池的光电转化效率与可见光透过率的关系。

    作者基于模拟结果,制作了基于PTB7-Th:PC71BM和PTB7-Th:IEICO-4F的ST-OSCs,其PCE和Jsc与VTL的关系如图2C-D和表1所示,其中插图为所制备的电池的实物图。结果表明:1. PTB7-Th:IEICO-4F基ST-OSCs性能优于PTB7-Th:PC71BM基;2. 上述实际制备的ST-OSCs性能与计算模拟结果重合良好;3. 无论是单个PC还是双PC均对ST-OSCs的性能有所改善。

高通量光学模拟助力半透明有机太阳能电池,早日实现窗户发电图2. 参考仿真结果制作器件。(A) 从模拟结果中选取的器件结构示意图;(B) 所选取模拟电池的光电转化效率与可见光透过率的关系;(C)实际制备的基于PTB7-Th:PC71BM和(D)PTB7-Th:IEICO-4F的半透明有机太阳能电池的光电转化效率、短路电流密度和可见光透过率的关系曲线。

      在早期的工作中,作者等人定义了量子利用率(QUE,即EQE和T的加和)并指出:QUE在评估ST-OSCs的综合性能方面优势明显(不仅可以从整体上描述器件的对光的捕获和透射特性,还可以用于间接反映器件对光的利用和损耗)。(译者注:行业上一般使用光利用率LUE,即光电转化效率和平均可见光透过率的乘积来评估TPV的性能。详见:https://mp.weixin.qq.com/s/wgSbPBzo60vtqj-FtGfdCw)。结果表明:无论是单PC还是双PC均对ST-OSCs的性能提升起到积极作用;2. 不同的BHJ材料会影响到PC结构对其光谱透过能力的增强作用;3. 基于高通量模拟的方法能够很好地再现实测器件的EQE、T、QUE曲线。

高通量光学模拟助力半透明有机太阳能电池,早日实现窗户发电图3. 量子效率和透射光谱。(A-D)A:器件“a”(红色),“b”(绿色),“c”(蓝色);B:“y”(绿色),及参比电池“Ref 2”(红色);C(实测器件)和D(模拟)的“X”(红色),“Y”(绿色),“Z”(蓝色)的外量子效率(EQE)、透射光谱(T)和量子利用率(QUE)。

     如图4所示为PTB7-Th:IEICO-4F基半透明太阳能电池器件Y的能量分布图。可以得到进一步提升电池性能的可行方案:1. 利用增透膜可能进一步减少反射损失,特别是在可见光范围内对性能的提升有显著作用;2. 虽然单独一层的寄生吸收不是很明显,但各层材料累加下的寄生吸收却会对电池的性能产生显著影响,因此选用透明度更高的材料对于提高ST-OSCs性能也有帮助;3. 选用新材料和新工艺有望获得更低的IQE损耗、更少的可见吸收和更宽的红外吸收范围。

高通量光学模拟助力半透明有机太阳能电池,早日实现窗户发电图4. 器件“Y”的光学性质。(A)能量分布图,其中蓝色(实测线)、红色(模拟线)和绿色(实测线)将其分为五个部分,由上到下分别对应EQE、IQE、寄生吸收、反射率和透射率;(B)模拟的|E|2分布曲线;(C)模拟的光吸收系数及其在波长方向上的积分曲线。

    最后,作者比较了这两种BHJ的ST-OSC的整体性能和潜力。为了进行公平比较,作者将上述ST-OSCs的PCE除以相应不透明单元的PCE,并将结果命名为PCE保持比(PRR)。值得注意的是,PRR-VLT曲线可以单纯依靠光学常数来实现模拟,利用该曲线可以定量地描述一定器件结构下BHJ系统的光学特性。因此在ST-OSCs性能提升方面,首先应寻找具有高PCE和优良性能的BHJ系统,并在此基础上借助高通量光学模拟方法对其性能进行进一步优化。

高通量光学模拟助力半透明有机太阳能电池,早日实现窗户发电图5. PTB7-Th:PC71BM和PTB7-Th:IEICO-4F基太阳能电池的模拟PCE保持比。插图显示了器件“B”(蓝星)和“Y”(红星)的模拟△EQE光谱。

Ruoxi Xia, Christoph J. Brabec, Hin-Lap Yip, and Yong Cao. High-Throughput Optical Screening for Efficient Semitransparent Organic Solar Cells. Joule. DOI:10.1016/j.joule.2019.06.016

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参考文献:Joule

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