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一扇既能透光又能发电的窗

来源:《中国科学报》2019-07-18 10:18

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  有没有一扇窗既能透光又能发电?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,且轻柔易加工安装,可用于制造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、中科院院士曹镛及德国埃尔朗根—纽伦堡大学教授Christoph J. Brabec等人合作,开发出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%透明度的有机太阳能电池。相关成果近日发表在《细胞》子刊《焦耳》上。

  发电vs透光

  “半透明有机太阳能电池主要设计思路是在透过适量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使其可见光吸收较弱且有相对宽而强的近红外吸收能力。为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

  夏若曦说,该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,从而通过遍历式计算将光学设计视为一个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,但是也存在着效率低、透明度低、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,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。

  夏若曦说,有机光伏是正处于迅速发展中的研究热点,近年来涌现出诸多由中国科学家引领的重要技术突破,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10年内于中国首先实现商业化。(见习记者 池涵)

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