Advanced Energy Materials:通过提高光选择性吸收能力制备高性能半透明有机光伏器件

半透明有机光伏电池(ST-OPV)是一种具有广阔应用前景的能源技术,可作为太阳能窗集成在楼房建筑上,兼顾能量转换和视觉审美。评价ST-OPV性能的技术指标包括光电转换效率(PCE)、平均可见光透过率(AVT)、显色指数(CRI)以及光利用效率(LUE,LUE=AVT×PCE)。考虑到太阳光包括不同能量或波长的光子(包括可见光区域和不可见光区域的光子),一个理想的ST-OPV应该充分吸收利用不可见光区域的光子实现高PCE,同时允许可见光区域的光子尽可能多的透射从而实现高AVT和CRI。因此提高ST-OPV的光选择性吸收的能力,即让ST-OPV透过可见光区域光子同时吸收不可见光区域的光子,是制备高性能ST-OPV 的关键。然而,目前半透明光伏领域对于光选择吸收度的研究非常少。

鉴于此,近日浙江大学陈红征教授和左立见研究员研究团队建立了一种数值方法计算分析ST-OPV活性层材料和电池器件的光选择性吸收能力。基于此通过选择合适的活性层、优化改善顶部透明银电极和设计光学干涉层三个方面全面优化ST-OPV的性能。

他们首先利用建立的光选择性吸收数值方法计算活性层给、受体材料以及器件的吸收选择性的能力。通过大量对比,最终选择了课题组内报道过的一种光响应逾1000 nm的近红外小分子受体材料H3,并与PTB7-Th搭配构建的本体异质结光伏体系。

图1. 太阳光谱、视觉响应图谱;ST-OPV的器件结构;PTB7-Th和H3的分子结构

高质量的超薄银透明顶部电极影响着ST-OPV的选择性吸收能力。该工作通过将支化聚乙烯亚胺(PEI)沉积在氧化锌纳米颗粒(ZnO NP)表面,利用PEI末端的胺基(-NH2)基团和银之间较强的配位作用减小超薄银电极的颗粒尺寸,获得了均匀连续的高质量超薄银电极,有效的降低了光散射,提高了ST-OPV 的光选择性吸收度,器件稳定性也有了明显改善。

图2. 基于PTB7-Th:H3制备的ST-OPV在不同厚度TeO2下的光学模拟结果

此外,光反射是造成半透明有机光伏器件可见区光透过低的原因。在光学模拟指导下,他们发现在超薄银电极顶部沉积一层TeO2光学干涉层可以有效降低器件的反射损失,从而显著提高ST-OPV可见光区域的透光率和光选择性吸收度。

基于上述策略,采用PTB7-Th:H3为光吸收层、ZnO NP/PEI为界面层、TeO2为减反射层,大幅提高了ST-OPV的光选择性吸收能力。并制备了PCE为8.26±0.12%(最佳=8.38%),APT为47.72±2.35%(最佳=50.09%)LUE为3.95±0.02%(最佳=4.06%)的高性能半透明器件。此外,该半透明有机光伏器件的CRI为76.85,色坐标为(0.291,0.339)(接近白点(0.332,0.344)),是目前所有性能最好的中性色ST-OPV之一。

图3. J-V、EQE以及透过率曲线;透过ST-OPV拍摄的鲜花照片;色坐标图和已报道的单结ST-OPV性能对比

该工作提出了利用数值计算方法用于计算光选择性吸收能力,并通过从材料,电极,光学调控等三个方面进一步优化提高ST-OPV吸收选择性获得了高性能的ST-OPV。相关工作以 “High-Performance Semi-Transparent Organic Photovoltaic Devices via Improving Absorbing Selectivity” 为题发表在 Advanced Energy Materials (Doi:10.1002/aenm.202003408)上。博士生李耀凯和何程亮为共同第一作者,陈红征教授和左立见研究员为共同通讯作者,华南理工大学叶轩立教授在测量材料n、k值方面提供了帮助。