他发现半透明器件这个概念在好几年前就有了,文献也不少,光一区二区的文章就有十多篇,不少都是国外一个大组Yang Yang发表的。
不过,之前只有富勒烯的体系,虽然可见光范围内的平均透过率(AVT)可以做的很高,最高甚至能达到50%,但效率(PCE)一直上不去。
光有AVT,没有PCE,这就和“只要面子,没有里子”差不多,就比如50%的AVT配上1%的PCE,没什么太大的意义,光伏器件最终还是得回归到效率的比拼上。
目前,性能最好的一个工作是基于的半透明器件,效率只有7%,AVT也只有25%,他们采用的电极是薄层的10纳米银电极。
正式实验的时候,许秋尝试了三种薄层电极,分别是常用的金、银、铝和两个体系作为标样,制备了不同厚度金属电极的器件,从5纳米到正常的100纳米不等。
最终的结果体系为例。
电极厚度在100纳米条件下,金、银、铝电极,器件最高效率分别为12.3%、12.4%和12.5%,三种电极的器件效率相当。此时器件的AVT约为0,即器件几乎完全不透过可见光。
50纳米条件下,最高效率分别为12.0%、12.1%和12.0%,三种电极的器件效率仍然相当。此时器件的AVT同样约为0。
30纳米条件下,最高效率分别为10.8%、11.0%和6.2%,三种电极的器件效率产生分化,其中金、银作为电极的器件,效率衰减不明显,而铝作为电极的器件,效率衰减比较严重。此时器件的AVT达到了5%-10%,可见光有部分可以透过,可以模模糊糊的看到器件背后的东西。
20纳米条件下,最高效率分别为9.4%、10.2%和0%,金、银作为电极的器件,效率衰减仍不明显,而铝作为电极的器件,已经断路。此时器件的AVT达到了10%-20%,可见光有部分可以透过,可以模模糊糊的看到器件背后的东西。
10纳米条件下,最高效率分别为8.0%、9.0%和0%,金、银作为电极的器件,也开始发生分化,银电极的器件效率更高。此时器件的AVT达到了20%-40%,可见光有较大的一部分可以透过,可以较为清楚的看到器件背后的东西。
5纳米条件下,最高效率分别为5.3%、1.2%和0%,金电极器件仍然能保持一定的器件效率,而银电极器件效率直接跳水,接近于断路。此时器件的AVT达到了30%-45%,可见光有较大的一部分可以透过,可以很清楚的看到器件背后的东西。
另外,电极厚度降低的过程中,器件的效率衰减主要是因为短路电流密度降低所致,开路电压、填充因子两项参数几乎保持不变。
针对这些实验现象:
小学生的水平,能够得出比较简单的结论。
哇,世界纪录又被我打破了呢。
这也很正常,以许秋现在手中拥有的资源,不选择某个细分领域也就罢了,一旦选择了某个领域,那也就标志着这个细分领域的世界纪录就要易主了。
毕竟,他现在已经暂时成为有机光伏这个大领域的领路人。
中学生的水平,可以稍微往深想一想。
制备半透明器件,铝电极就是个垃圾,电极还没等达到半透明呢,器件就已经扑街了。
大学生的水平,再往深想一想。
当前的体系选用银电极比较好,在10-20纳米比较合适的区间内,器件性能都是最佳的那一个,这或许和他是导电性能最好的金属材料有关。
硕士生的水平,再再再往深想一想。
金电极在5纳米的厚度下,性能反超了银,这说明金属电极能否在薄层状态下导电,密度可能是一个非常关键的因素。
因为金的密度是19.32克每立方厘米,银的密度是10.49克每立方厘米,而铝只有2.70克每立方厘米。
金属导电的实质,是金属原子之间通过形成“电子气”来传导电子,这里导电有个前提条件,那就是金属原子之间要连续,不能有太多的缺漏。
在金属膜比较厚的时候,密度小一些也无所谓,反正可以近似实现紧密堆积,就算偶尔有缺陷,旁边也有其他的金属原子兄弟可以代为传递;
而当金属层比较薄的时候,密度小的金属材料在蒸镀时,就会更容易出现不均匀、不致密的现象,这时产生了缺陷,结果旁边没有金属原子兄弟帮忙了,那导致无法顺畅的传导电子,从而造成断路。
博士生的水平,还能再再往深想一想。
相较于不透明的金属电极,半透明金属电极造成器件性能损失的一个主要来源,是电极导电率的下降,直接影响电极收集电荷的能力,从而造成短路电流密度的降低,最终导致器件效率的衰减。
但还有另外一个性能损失的来源,那就是来自不透明金属电极的二次反射光会变少。
这个该怎么理解呢?
当太阳光入射一个光伏器件表面后,有一部分光会直接反射、散射损失掉,有一部分会转化为热能损失掉,在这之后的太阳光会到达有效层。
有一部分到达有效层的光会被有效层吸收,形成激子,之后拆分输运,形成电流,而还有一部分则会穿过有效层,到达顶电极的位置。
假如顶电极是100纳米厚的金、银、铝,也就是不透光的,因为金属会反射光,就会让这一部分透过有效层的光重新回到有效层,也就是所谓的“二次反射”,同样会对器件效率造成一定的贡献。
而现在金属电极变得半透明了,这部分光就会部分发生“二次反射”,部分穿过金属电极损失掉。
到了许秋的水平,他将上述这些整合了起来,想到了一种多层的薄层电极结构。
这种薄层金属的结构,是先蒸镀一层薄薄的相对比较致密的金,比如一纳米厚度,然后再往上蒸镀导电性能更好的银,比如10-20纳米。
这样的结构,可以产生的预期效果就是:
超薄的金层提供了致密的成核中心,从而降低银膜向传输层和有效层中的渗透厚度,提高银膜在低厚度下的均匀性,保证连续银膜的形成,从而得到兼具高透射率和低电阻的薄层金属电极。
当然,分析归分析,具体结果如何,还是得用实践来证明一切。
PS:今天万字三更,第二更、第三更分别在7、16点。