换句话来说,就是想知道以人类的力量,能把这个光电转换效率的数值堆到多高。
在实际应用上呢,并没有太多的意义。
一方面,30%和40%差距并不大,只差三分之一罢了,又不像效率从1%提升到11%,有10倍的差距;
另一方面,对于效率这么高的太阳能电池体系,基本上都用到了砷化镓,这玩意的成本非常高,只能用于军用或高端应用领域,比如卫星、空间站之类的,就算把效率优化到100%,也没有民用的价值。
这种叠层器件,是串联的结构,但和普通干电池的那种串联有所不同。
叠层器件在空间结构上是一个整体,不论是“双终端”还是“四终端”,都是一个器件只吸收一单位的太阳光。
比如,对于一个双结有机太阳能电池叠层器件来说,当太阳光入射后,首先经过顶电池,吸收了300-600纳米的光,然后剩余的主要是波长大于600纳米的光,将被底电池再次吸收。
听起来很美好,可以规避有机光伏器件激子吸收特性带来的光吸收范围窄的问题,有效的利用太阳光能。
但实际上,叠层器件在有机光伏领域的表现并不如意。
目前,纯有机光伏的叠层器件的效率,只有12%左右,本来和单结器件的相当,而当许秋将单结效率突破到接近13%后,叠层器件的性能实际上已经落后于单结了。
主要还是因为之前常年使用的PCBM富勒烯衍生物体系,受体材料几乎不能吸可见光,只能依靠给体材料吸光。
如果考虑到光吸收互补,采用一个窄带隙给体的体系和一个宽带隙给体的体系的话,由于窄带隙的给体材料对应的短路电流通常较高,可能出现顶电池和底电池电流不匹配的问题。
因为器件是串联连接的,根据中学物理知识,串联电路电流处处相等。
假如上下两个电池器件的短路电流密度差距过大,比如一个10毫安每平方厘米,另一个6毫安每平方厘米,那么最终表现出来的电流就会在6毫安每平方厘米左右。
对于第一个电池来说,就会直接损失大约40%的效率。
电压方面的问题倒是不大,各个电池之间近似是线性叠加的,比如一个是0.8伏特,另一个是0.7伏特,那么最终就是1.4、1.5伏特的样子。
除了短路电流方面的问题,另外还有加工工艺上的问题。
有机光伏领域现有文献报道的叠层器件,大多数都是双结两终端的结构,在制备叠层器件时,两个电池中间需要有一层电荷复合层,通常采用的是导电的电极材料。
而这层电极必须是透光的,因为如果不透光,下层的电池就废了,没有光可吸收了。
透光的电极,比如ITO,不能通过溶液法制备,只能用磁控溅射等方法。
而磁控溅射的话,一方面温度高,可能破坏有效层的结构,另一方面,一台磁控溅射的设备,一般需要50-80万,就用来做个ITO电极,有点大炮打蚊子的意思,除非是那种大课题组,经费花不完,才会买一台用用。
基于ITO制备困难的现状,主流的思路是采用金属电极作为电荷复合层,需要解决的主要问题就是透光性。
其中一个方法,可以采用薄的金属电极作为电荷复合层,比如蒸镀几纳米的银,可以兼顾导电率和透光率。
日常生活中的金属不透光,本质是金属原子把入射的光子都吸收或反射了,而在几纳米这个尺度下,哪怕是金属,也可以透光,当然,透光率不会太高,可能在50%左右。
这种方法的优点是制备工艺简单,只需要修改蒸镀电极时的厚度即可,缺点则是透光性不理想。
另外一个方法是采用银纳米线、银纳米颗粒等方法,优点是透光性会好一些,缺点是制备工艺比较复杂。
总结下来,制备叠层器件的思路,就是:
利用新开发出来的一系列ITIC衍生物非富勒烯材料,从中找到两个光吸收、短路电流适配的体系,再解决加工工艺方面的难题,最终实现器件效率的飞跃。
根据理论计算,如果一切顺利,效率将有望达到15%以上!
这便是许秋试图冲击CNS顶刊的途径。
当然,实际做起来,肯定要分成多步进行,徐徐图之。
因为叠层器件的工艺难度很大,国内能做叠层器件的课题组也不多,徐正宏算是一个主力,主要是老外在做。
许秋打算先从半透明器件开始入手,这算是制备叠层器件的一个前置条件,像是四终端法的顶电池,其实就是一个半透明器件。
而且,制备半透明器件,还有其他额外的好处:
一方面课题组里开发出来的近红外非富勒烯受体,比如FN-4F、IEICO-4F、IEICO-4Cl,这些可以利用起来发一些文章;
另一方面这也是有机光伏未来商业化的亮点之一,可以和蓝河那边进行合作,比如把柔**件制作成各种各样的颜色,然后可以贴在楼宇外侧,用来装饰发电。
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