Au/Ag超薄透明电极——提升彩色柔性半透明有机聚合物太阳能电池的新思路

随着有机聚合物太阳能电池的迅速发展,尤其是在高效活性层材料和器件结构方面的突破性进展,使得光电转换效率获得了大幅度提升。然而其效率与晶体硅电池相比较仍然有一定的差距,但是其轻质、廉价、可弯曲、半透明等特性在未来的可穿戴能源、建筑一体化光伏能源(BIPV)等方面的潜在应用是不能被忽视的,因此,柔性、半透明有机聚合物太阳能电池的研究成为一个热点。

针对高性能的半透明有机太阳能电池的研究,如何设计高效的透明顶电极和增加活性层对光的利用是至关重要的。传统的超薄金属透明电极由于其表面的粗糙度较大,与活性层之间不能形成良好的电学接触,导致较低的电流和填充因子,进而影响器件效率;同时,半透明太阳能电池的顶电极是透明的,光透过也会减少活性层对光的再次吸收,从而影响器件的光电流。因此,想要获得高效的半透明有机太阳能电池,解决这两个问题就显得尤为重要。

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图1 电池结构以及所用活性层材料分子式和以PTB7-Th为活性层的传统玻璃器件以及柔性器件的性能曲线

近期,苏州大学李耀文副教授等人设计了一种如图1所示的反型结构半透明太阳能电池,提出了通过发展高性能Au/Ag超薄透明复合顶电极和引入介质反射镜的方法来分别实现提高半透明电池的电学接触以及增强活性层对光的再次吸收,从而实现电池性能的提高。该Au/Ag超薄透明复合顶电极是由0.8 nm Au和15 nm Ag组成的,不仅增加了电极的致密性,更是在保证高透过率的情况下实现了电导率的提高。其透过率、致密性和电导率均优于传统超薄金属电极(如图2所示)。基于此复合电极制备的半透明电池效率和重复性均获得了大幅度提升。更值得一提的是,结合布拉格反射原理,在致密复合电极上生长的介质反射镜可以实现反射波长的精准调控,从而在保证器件具有半透明性的同时实现活性层在其最大吸收波长处对光的再吸收。他们也首次提出通过引入不同带隙活性层、以及结构精确调控的介质反射镜来实现半透明电池颜色的调控,并将此概念应用在了柔性太阳能电池中,制备了彩色柔性半透明电池。最终,基于PBT7-Th:PC71BM活性层的玻璃半透明电池效率达到了7%,可见光范围内透过率12.2%;柔性半透明太阳能电池效率达到了6.4%,可见光范围内透过率11.5%。该研究工作为柔性、半透明太阳能电池的发展拓展了新思路,具有重要的启示性意义。

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图2 Au/Ag超薄复合电极生长机理以及不同电极的透过率曲线

相关结果发表在Advanced Functional Materials(DOI: 10.1002/adfm.201605908)上。该工作由苏州大学李永舫院士团队完成,通讯作者李永舫教授和李耀文副教授