AEM | 通過合理的光學剪裁實現9.8%能量轉換效率和50%平均可見光透過率的有機太陽電池

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引言


近年來,半透明有機太陽能電池在光伏建筑一體化和發電窗戶等領域的應用前景引起了研究者們的廣泛關注。但是,“半透明”意味著活性層對光的吸收減弱,高透明度與高性能之間存在著難以平衡的競爭關系。為了解決這一難題,西班牙的J. Martorell教授課題組研究發現,在半透明有機太陽電池(OPV)的頂電極上引入一維(1D)納米結構,可以將光捕獲與透射解耦,實現對大角度入射光的有效捕獲,在正常入射角下,保證可見光區平均透過率(AVT)大于50%。該工作發表在Adv. Energy Mater.期刊上,題為: Light Harvesting at Oblique Incidence Decoupled from Transmission in Organic Solar Cells Exhibiting 9.8% Efficiency and 50% Visible Light Transparency。

成果簡介

      考慮到半透明OPV在應用中,往往處于一種垂直地面的放置狀態,在這種情況下,太陽光常以較大的入射角照射到器件的平面(如圖1a),基于這一事實,若能在保持器件對正常角度入射光良好透過的前提下,增加對大角度入射光的捕獲,將能有效提高半透明光伏器件的光電轉化效率(PCE)而不影響其透明度。為此,作者通過在薄Ag電極背后交替沉積低、高折射率的LiF、MoO3納米層(如圖1b),設計了一種1D納米光子結構(1D-NPS)。這種1D-NPS有效地實現了透射光和吸收光的分離,增加了600 nm-900 nm波長光的反射,以及對大角度入射光更高效地捕獲,因而增強了器件在NIR區域的EQE,并將EQE拓寬至可見光附近,導致短路電流顯著提高。但1D-NPS并不會嚴重影響小角度入射可見光透過,因此器件的透明度并沒有明顯降低,基于這種1D-NPS器件的AVT高于50%,亮度感知損失僅為20%,這與廣泛用于建筑立面的工業玻璃類似。

圖1.  a) 透明光伏的采光窗口。b) 三層1D-NPS的器件結構示意圖。c) 基于不同層數1D-NPS器件PCE與光入射角的函數關系。d) 在獲得最大PCE的入射角光照射下,器件的EQE(左軸),與垂直入射時的光透射率(右軸)


表1.  在1個太陽光強照射下,電池的光伏參數


       作者通過將傳輸矩陣全波矢量法與逆向設計相結合來確定基于1D-NPS器件的最佳單元結構,在保證AVT大于50%的前提下,尋求光電轉化效率的最佳值。如圖1c與表1所示,與標準器件相比,由于引入1D-NPS所帶來的光學剪裁的影響,使器件在所有入射角范圍的光照下都可獲得更高的PCE,其中基于5層1D-NPS的電池性能最佳。在大入射角下,1D-NPS有助于器件更有效的收集能量,作者將優化后的器件與標準器件進行對比,從圖2a與2b可以明顯發現:當光入射角由0°轉向50°時,標準器件的電流沒有明顯的變化,但優化器件的EQE曲線明顯變寬,光電流增加,PCE表現出對入射光角度強烈的依賴性。這表明1D-NPS能有效提高器件對大角度入射光的捕獲效率,明顯增加器件的PCE。

圖2.a) 標準器件和5層1D-NPS器件在垂直和50°入射光照下的EQE(實驗數據對應空心圓,模擬數據對應實線)。b) 不同器件在不同入射光下的J-V曲線。c) 不同器件在垂直入射下的實驗(空心圓)和模擬(實線)透射譜(左軸),與歸一化的S(藍細線)、M(綠細線)、L(紅細線)錐體靈敏度和明視曲線(黑細線)。d) 在5層1D-NPS電池中,50°入射TM(紅)、TE(藍)和法向入射(黑色)光的實驗(實心)與模擬(點)透射率


      逆向設計的基本目標就是保證AVT大于50 %,除了優化功能層的厚度,引入1D-NPS結構以外,作者在沉積超薄Ag電極之前,預先沉積了厚約1 nm的Au層,以提高MoO3頂部銀的浸潤性,避免形成島狀、團簇結構而導致透射率和電導率的降低。最終,在基于多層1D-NPS的器件中都實現了50 %的AVT,其中基于5層1D-NPS的器件獲得了最高的PCE,而基于3層1D-NPS的器件獲得了更接近于中性色的透射(如圖2c所示,基于3層1D-NPS的器件對光譜藍色和紅色部分的透過率都高于基于5層1D-NPS的器件)。

       考慮到太陽光強和入射角將會隨著時間的變化而改變,僅用短時間內測得的PCE作為衡量室外半透明光伏性能的標準是不夠的。為此,作者進一步提出用ECE(1天中單位面積器件積累的電能與太陽光照射能量的比值)來評估器件的實際轉換效率,當然,這一參數受地區、時間和環境等因素的影響。由于春分點期間可以較好模擬一年中太陽高度和光強隨時間變化的均值(如圖3a),因此作者在這種情況下測量了垂直朝南放置基于1D-NPS器件的ECE,如圖3b、3c所示。標準器件的平均ECE比在實驗室內測得的PCE下降了約13%,而基于5層1D-NPS器件的ECE(~9.5 %)甚至還略大于實驗室條件下所測的PCE(9.4 %),這是AVT大于50%的光伏器件中的最高效率。作者還測試了基于結合了光漫反射紋理的mc-Si模塊的ECE,值為12.42 %,并且在以類棋盤建筑集成光伏(BIPV)的安裝中,其能量收集效率會進一步下降。該結果表明:該光學定制透明OPV的技術具有明顯優于垂直立面BIPV安裝的商用Si模塊的潛力。

圖3. a) 在朝南的垂直單元上,實驗(圓)和模擬(線)太陽輻照度(左軸)和太陽光線入射角(右軸),2019年3月21日(實心圓,實線)測量了5層1D-NPS器件和mc-Si模塊,2019年3月25日(空心圓,虛線)測量了標準電池。b) 標準和第五層1D-NPS器件以及mc-Si模塊累積的電能。c) 使用a)中模擬的輻照度作為輸入功率,在一天中的過程中,電池和mc-Si模塊的PCE。d) 實驗的VOC?FF 乘積(左軸)和JcSC (右軸)


小結

      總之,作者采用了在近紅外區具有有效吸收的活性層和極薄的金屬頂電極,精心設計了1D-NPS,來實現光學剪裁,將能量收集與透射解耦,提高了對近紅外光的有效利用,增強了對大角度入射光的捕獲,最終,基于ITO/ ZnO (10 nm)/ PTB7-Th:FOIC:PC71BM/ MoO3 (5 nm)/ Au (1 nm)/ Ag (8 nm)/ 1D-NPS結構的器件實現了大于50 %的AVT,且PCE提高了50%,PCE和ECE值都大于9.5%,該效率對于AVT大于50 %的任何一種光伏電池來說,都是有史以來最高的。這種基于光物理的設計原則,將可以有效避免因對器件內部結構修改而產生的不利影響,不但能有效地提升器件性能,還展現出更高的普適性,在構建半透明器件中可以被廣泛采用。


作者:占濤 ; 校稿:張月


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