Solar RRL:半透明有机太阳电池光学分析

可用作建筑和车辆的光伏玻璃的半透明光伏器件有望能够有效减少日常生活能耗,因此该方向近年来引起人们的广泛研究。有别于传统光伏器件单方面追求尽可能高的光电转换效率,半透明光伏器件还需要适合的可见光透过率、中性或特定的颜色外观和显色性能。目前已商业化的硅基半透明光伏器件因难以调控的光学特性而导致其应用范围有限。如今新兴的聚合物太阳电池不仅可实现低成本卷对卷柔性基底加工,还具备可调节的光学性能,在光伏玻璃方向具有良好的应用前景。效率和透光率是半透明有机太阳电池最主要的两个评价指标,然而更多的可见光透过意味着该波段更少的器件光敏层光吸收。因此,效率和透光率同时也相互矛盾。由此可见,半透明光伏的综合性能与其光学性质息息相关,如何平衡好光敏层吸收和整体器件的透过是该类型器件设计的关键所在。

华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室叶轩立课题组与合作者针对这一问题利用基于经典波动光学理论的光学模拟对半透明有机太阳电池进行了详细全面的光学分析。通过调节光敏层和银电极厚度并对比具有相近电学性质和相异光学性质的材料体系PTB7-Th:PC61BM和PTB7-Th:PC71BM,研究者借助光学模拟分析了器件的能量分布情况,并辅以光电场分布对器件光学特征进一步解释。该工作定义“量子利用率”为器件外量子效率与透过率之和并指出该参数不仅可以统一描述相悖的光吸收与透过性能,也可以间接反映出互斥的光利用与损失情况。

此外,在报道内容之外,研究者还想强调“量子利用率”这一概念可以用于初步检验半透明有机太阳电池的测试表征结果。这起源于现今领域内对半透明有机太阳电池的测试方法还没有建立较规范的标准,其中部分文献的外量子效率与透过率之和,即所谓“量子利用率”在某些波长范围内非常接近100%,这意味着器件的反射、寄生吸收以及内量子效率损失之和接近0%。这可能是由于误用空白玻璃基底或者ITO玻璃基底作为透过率测试基线校准或者待测样件有效面积不足以完全覆盖测试光斑,这样皆会导致透过率测量偏高。作者建议“量子利用率”在局部波段内超过90%时都应该要小心验证其测试结果,确保电池性能报导的可靠性。

相关结果发表在Solar RRL(DOI: 10.1002/solr.201800270)上。

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