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《华南理工Joule：高通量光学筛选高效半透明有机太阳电池》

  • 来源专题：中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
  • 编译者： 冯瑞华
  • 发布时间：2019-07-09

  • 【引言】

    半透明光伏技术可应用于建筑或汽车的光伏玻璃。理想的半透明光伏器件应该吸收紫外和近红外光并根据视觉需求透过适量的可见光。传统的无机光伏材料的光学性质难以调控，故无法很好地满足上述复杂的光学需求。有机光伏材料不仅具有高度可调的光学性质，而且易制成半透明的有机薄膜。有机光伏因而在半透明光伏领域具有更大的应用潜力1-3。半透明有机太阳电池(STOSC)最主要的两个性能指标--能量转换效率(PCE)和可见光透过率(VLT)通常是负相关的。为了进一步优化器件光学性质以更好地平衡PCE和VLT，将周期性一维光子晶体(PC)引入STOSC以选择性反射人眼不敏感部分波长光至光敏层进行二次吸收，从而在较小影响VLT的情况下提高器件的光子捕获率以提高短路电流密度(Jsc)和PCE。

    【成果简介】

    7月8日，Cell Press出版社的能源类期刊Joule在线发表题为“高通量光学筛选高效半透明有机太阳电池”(High-Throughput Optical Screening for Efficient Semitransparent Organic Solar Cells)的研究论文4，作者为华南理工大学的夏若曦、叶轩立教授（通讯）和曹镛院士，以及德国埃尔朗根-纽伦堡大学的Prof. Brabec。

    本文亮点：

    开发出一个具有较快运行速度的薄膜光学计算模型并模拟了数千万个器件结构；制备出兼具接近11%的PCE和30%的VLT的PC增益的STOSC；高通量光学设计方法尤其适用于多目标、多厚度的协同优化。

  • 原文来源：http://www.cailiaoniu.com/179857.html
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    • 编译者：guokm
    • 发布时间：2019-07-17
    • 有没有一扇窗户既能透光又能发电?半透明有机太阳能电池就可以满足这样的需求。其光学性质易调，且轻柔又容易加工和安装，可用作建筑或汽车外表面的光伏玻璃，具有重要的商业化潜力。 日前，华南理工大学材料科学与工程学院教授叶轩立、中国科学院院士曹镛以及德国埃尔朗根-纽伦堡大学教授Christoph J. Brabec等人的联合团队，开发了一种快速薄膜光学计算模型，并据此模拟了涵盖几乎所有可能的数千万个薄膜结构模型，从而确定了光电转化率和透明度之间的最优平衡关系，制备出兼具11%的光电转化率和30%的透明度的有机太阳能电池。相关成果近日发表在Cell旗下的能源期刊Joule上。 发电vs透光 “半透明有机太阳能电池主要的设计思路是在透过适量的可见光以满足视觉需求的同时，尽量吸收人类无法感知的紫外和近红外光，并转化为电能。”论文第一作者、华南理工大学材料科学与工程学院博士研究生夏若曦告诉《中国科学报》。 夏若曦介绍，有机光伏材料可以通过分子结构，设计成可见光吸收较弱且有相对宽而强的近红外吸收。为了进一步优化器件的光学性质，传统的周期性一维光子晶体拥有选择性反射指定波长光的特性，引入半透明有机太阳能电池后，可以选择性反射人眼不敏感部分波长光至光敏层进行二次吸收，从而在较小影响透明度的情况下提高器件的光子捕获率，以提高短路电流密度和光电转化率。 研究团队在对一维光子晶体增益的半透明有机太阳能电池进行光学设计时，不同于传统的周期性一维光子晶体设计思路，将其各层厚度视为自由变量并将活性层与银电极的厚度一并纳入优化，以考虑其间可能存在的耦合关系。通过遍历几乎所有可能的厚度组合(数千万个组合)，光电转化率和透明度之间的最优平衡关系在光学层面上得以确定。 高通量模拟指导法 夏若曦告诉记者，他们的工作首先基于传输矩阵方法，开发了一个具有较快运行速度的薄膜光学计算模型。 传输矩阵方法是一套基于波动光学的数学方法，可依此法求解半透明有机太阳能电池的相关光学性能参数，建立光电转化率和透明度与膜系厚度之间的函数关系。 研究团队通过算法、代码等优化提升了模型计算速度，从而得以通过遍历式计算将光学设计视为一个更严谨而纯粹的数学优化问题。 运用该模型，他们对数千万种可能的器件结构进行了模拟计算，详细研究了半透明有机太阳能电池光电转化率和透光率与膜系厚度之间的函数关系，从而在光学层面上严格确定了光电转化率和透明度之间的最优平衡关系。 事实证明，运用这种方法设计制造出的非周期性一维光子晶体获得了预期的性能参数和光学特征，可以同时选择性增强可见光透射和紫外、近红外反射，证明了该方法的高效和科学性。 夏若曦认为，高通量模拟指导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，甚至可以应用于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，有巨大的应用潜能。 新一代光伏技术 目前商业化的光伏技术主要是基于无机材料。夏若曦告诉《中国科学报》，以硅基为代表的无机光伏技术已经高度成熟，凭借其高效、廉价等诸多优势几乎垄断整个光伏市场。 “因大规模储能困难造成的太阳能并网瓶颈，需要我们加快发展分布式、家庭式、微电网式光伏的应用，主要应用场景包括建筑屋顶和外墙，这为半透明光伏技术带来广阔市场。”夏若曦说。 然而，晶体硅电池难以做成半透明，只能靠不透明电池之间的缝隙透光来实现所谓的“半透明”效果，不甚美观;非晶硅电池可以做成半透明，但是也存在着低效率、低透明度、颜色单一等严重制约其在建筑玻璃上应用的缺点。 相比之下，夏若曦说道，有机光伏材料不仅具有高度可调的光学性质，而且易制成半透明的有机薄膜，因而在半透明光伏领域具有更大的应用潜力。此外，有机光伏还拥有质地轻柔、可室温溶液加工等独特的优势。 以此制作出的器件能够兼具11%的光电转化率和30%的透明度，正是得益于有机材料本身特有的光学优势和科学严谨的光学设计。相较而言，商用的半透明光伏在透明度不足30%的情况下，效率只有11%的一半甚至更低。 夏若曦说，有机光伏是正处于迅速发展中的研究热点，而且近年来涌现出诸多由中国科学家引领的重要的技术突破，如能进一步提升效率，改进大面积模组器件的制备工艺，并提升寿命和稳定性，有机光伏将很有可能在十年内于中国首先实现商业化。
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  • 《半透明太阳能电池——未来窗户的福音？》
    • 来源专题：中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者：冯瑞华
    • 发布时间：2018-02-26
    • 数百年来，窗户无处不在，在我们的日常生活中发挥着不可或缺的作用，为我们的家园和工作场所提供自然光。但想象一下，如果我们的窗户能够发电，能够给你的手机充电，能够帮你烧热水，这会给我们的生活带来多少便利。 据不完全统计，仅在美国就有 50至70亿平方米的玻璃窗户，太阳能窗户将会为太阳能利用提供一个很好的方式。我们的研究也从这个方面出发，让电池板通过足够的光线，使太阳能的利用率更高，向绿色可循环能源的供电生活更进一步。 现在的一小片半透明电池，有可能在不远的将来发展成一块块窗户。（图片由 Matthew Wright 提供） 就目前来看，可再生能源的经济性越来越高。在澳大利亚和世界其他地区， 硅太阳能电池已经在屋顶市场占据主导地位。屋顶太阳能发电提供了一种越来越便宜和高效的发电方式。虽然这些屋顶很好，但这些硅模板不透明而且体积庞大。所以我们要发散思维，设计适合窗户的太阳能电池。 当我们将太阳能电池板放在屋顶上时，我们希望它吸收尽可能多的阳光，以便它可以产生最大的功率。但对于一个窗户而言，在吸收光线变成电力和透射光线之前不可避免地会存在折损。 所以我们要关注 太阳能电池板的关键参数 —— 平均可见光透射率（ AVT ）。 其代表着透过光通量与投射到窗户表面的光通量的百分比，这与红外线或紫外线等正好相反。 当然，我们既不希望太阳能窗户吸收太多的阳光，也不希望它透过太多的阳光，因此科学家们一直试图在高电效率和高AVT之间找到一个合适的点。 电压的问题 研究表明， 25 ％的 AVT 通常被认为是太阳能窗户的门槛值。但是让四分之一的光线穿过太阳能电池会使电池很难产生大量的电流，这就是为什么半透明电池的效率迄今为止很低的原因。 但请注意， 电力的大小取决于两个因素：电流和电压 。我们的研究专注于提高电压，所以我们选择新的有机吸收材料，这些材料可在非透明电池中产生高电压。 当将这些有机材料放置在半透明太阳能电池中时，即使有大量的透射光通过窗户，电池的电压仍然能保持在较高的水平。这样虽然与不透明太阳能电池相比会使电流降低，但相对于先前的半透明电池，较高的电压会使太阳能电池具有更高的效率。 但随着这些问题被解决，新的问题又来了：用这些半透明电池板制备的窗户是什么样的呢? 透过太阳能窗户，你能看到什么？ 如果你的朋友穿着红色衬衫，当你通过一个普通的窗户看到他们时，他们的衬衫毫无疑问应该是红色。 但是因为半透明的太阳能电池吸收了我们在可见光谱中看到的一些光线，所以我们需要更仔细地考虑这种显色性能。我们可以通过计算所谓的显色指数来测量半透明太阳能电池板如何准确地呈现图像。我们的研究表明，改变吸收层的厚度不仅会影响电池产生的电能，还会改变其准确描绘颜色的能力。 为了解决这一问题，研究人员找到了一种不同的前瞻性方法，这种方法可以产生很好的显色指数。研究人员将有机吸收材料替换成吸收可见光范围外太阳能的材料。这意味着半透明太阳能电池板将以正常的玻璃形式出现在人眼中，因为太阳能转换发生在红外范围内。 然而，这样做会严重限制电池的效率及太阳能转化为电力的能量。 对未来的展望 到目前为止，我们只是在一个小的原型规模上创建了我们的太阳能电池单元。在我们制造大型、高效率的太阳能窗之前，仍然存在几个障碍。具体来说，用于从这些电池收集电荷的透明电极是脆性的并且含有稀有元素，例如铟。 如果研究人员能够解决这些问题，大规模部署太阳能窗户将会成为可能，可再生能源的利用也能得到长足发展。所以虽然目前为止太阳能窗户还没有问世，但我们已经接近它们。
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