華南理工Joule：高通量光學篩選高效半透明有機太陽電池

【引言】

半透明光伏技術可應用于建筑或汽車的光伏玻璃。理想的半透明光伏器件應該吸收紫外和近紅外光并根據視覺需求透過適量的可見光。傳統的無機光伏材料的光學性質難以調控，故無法很好地滿足上述復雜的光學需求。有機光伏材料不僅具有高度可調的光學性質，而且易制成半透明的有機薄膜。有機光伏因而在半透明光伏領域具有更大的應用潛力^1-3。半透明有機太陽電池(STOSC)最主要的兩個性能指標--能量轉換效率(PCE)和可見光透過率(VLT)通常是負相關的。為了進一步優化器件光學性質以更好地平衡PCE和VLT，將周期性一維光子晶體(PC)引入STOSC以選擇性反射人眼不敏感部分波長光至光敏層進行二次吸收，從而在較小影響VLT的情況下提高器件的光子捕獲率以提高短路電流密度(J_sc)和PCE。

【成果簡介】

7月8日，Cell Press出版社的能源類期刊Joule在線發表題為“高通量光學篩選高效半透明有機太陽電池”(High-Throughput Optical Screening for Efficient Semitransparent Organic Solar Cells)的研究論文⁴，作者為華南理工大學的夏若曦、葉軒立教授（通訊）和曹鏞院士，以及德國埃爾朗根-紐倫堡大學的Prof. Brabec。

本文亮點：

開發出一個具有較快運行速度的薄膜光學計算模型并模擬了數千萬個器件結構；制備出兼具接近11%的PCE和30%的VLT的PC增益的STOSC；高通量光學設計方法尤其適用于多目標、多厚度的協同優化。

【圖文導讀】

對比研究兩個活性層體系PTB7-Th:PC₇₁BM和PTB7-Th:IEICO-4F，前者在可見光波段有大致均勻的吸收，后者可見光吸收較弱但有相對寬而強的近紅外吸收。在對PC增益的STOSC進行光學設計時，不同于傳統的PC設計思路，將PC的各層厚度視為自由變量并將活性層與銀電極的厚度一并納入優化以考慮其間可能存在的耦合關系。通過遍歷幾乎所有可能的厚度組合（數千萬個組合），PCE和VLT之間的最優平衡關系在光學層面上得以確定。

圖1. PC增益的STOSC的高通量光學模擬

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（a）PTB7-Th，PC₇₁BM和IEICO-4F的化學結構；

（b）PTB7-Th:PC₇₁BM和PTB7-Th:IEICO-4F的光學常數；

（c）器件結構和膜厚；

（d）所有模擬器件的(VLT,PCE)坐標。插入圖是黑點處的放大圖。

在模擬指導下，從諸多計算結果中篩選出優化的厚度結構并制備出相應的器件，得到了一系列不同VLT下的高效器件。

圖2. 光學模擬指導的器件制備

（a）從模擬結果中優選出的器件結構；

（b）優選器件的模擬的(VLT,PCE)坐標；

（c）制備出的基于PTB7-Th:PC₇₁BM的器件的PCE，J_sc和VLT。插入圖是器件a及其無PC的參考器件的實物照片；

（d）制備出的基于PTB7-Th:IEICO-4F的器件的PCE，J_sc和VLT。插入圖是器件Y部分遮擋的校園風景照。

量子譜和光譜研究顯示出基于PTB7-Th:IEICO-4F的優化器件具有良好的光學性質：在近紅外波段幾乎無透射且具有強吸收；450~600 nm的選擇性透過大致涵蓋了人眼最敏感的波段范圍；光學和內量子損失之和在主要波段內基本被抑制在25%左右。值得注意的是，該方法設計的PC可以同時選擇性增強可見光透過和紫外、近紅外反射，因而相比于傳統PC設計的器件具備更加理想的光學性質。

圖3.?量子效率和透光率

(a, b) 基于(a)PTB7-Th:PC₇₁BM和(b)PTB7-Th:IEICO-4F的器件的測量的外量子效率(EQE)、透光率(T)和量子利用率(QUE=EQE+T)圖譜；

(c, d) (c)測量的和(d)模擬的EQE、T和QUE圖譜的對比。

提供了一個代表器件的詳盡的光學信息。

圖4. 器件Y的光學性質

（a）能量分布圖。圖被藍線、兩條紅線和綠線分為五塊。從下到上依次是EQE、IQE損失、寄生吸收、反射和透射。寄生吸收又被彩色虛線分為玻璃、ITO、PEDOT:PSS、PFN-Br和Ag的寄生吸收。藍實線和綠實線是實測的，其它都是模擬的，包括供對比的模擬的透過（綠虛線）；

（b）模擬的光電場強度(|E|²)分布；

（c）模擬的光子吸收率分布及其對波長的積分。

定義PCE保留率(PRR)為半透明器件PCE除以其對應的不透明器件PCE，模擬的PRR可以定量描述不透明器件和半透明器件之間的效率關系。值得注意的是，PRR的模擬僅基于器件各層材料的光學常數，即：PRR反映了器件的光學性質，并描述了其與活性層光學性質和器件結構的關系。

圖5. 模擬的PCE保留率

插入圖是模擬的器件B(藍星)和Y(紅星)的EQE與其對應的不透明器件的EQE的差值。

展望

有別于有機光伏方向普遍的“事前試錯，事后解釋”型研究，這項工作基本完全基于理論計算分析，并通過高通量遍歷式的計算將光學設計視為一個更嚴謹而純粹的數學問題。同時，研究者認為，高通量光學設計方法尤其適用于多目標、多厚度的協同優化，因而有更多的應用潛能。

原文獻信息：https://doi.org/10.1016/j.joule.2019.06.016

參考文獻

1.Traverse, C.J., Pandey, R., Barr, M.C., and Lunt, R.R. (2017). Emergence of highly transparent photovoltaics for distributed applications. Nat. Energy 2, 849–860.

2.Xue, Q., Xia, R., Brabec, C.J., and Yip, H.-L. (2018). Recent advances in semi-transparent polymer and perovskite solar cells for power generating window applications. Energy Environ. Sci. 11, 1688–1709.

3.Chang, S.-Y., Cheng, P., Li, G., and Yang, Y. (2018). Transparent polymer photovoltaics for solar energy harvesting and beyond. Joule 2, 1039–1054.

4.Xia, R., Brabec, C.J., Yip, H.-L., and Cao, Y. (2019). High-Throughput optical screening for efficient semitransparent organic solar cells. Joule. https://doi.org/10.1016/j.joule.2019.06.016.

本文由文章第一作者夏若曦投稿