發(fā)電vs透光：一扇既能透光又能發(fā)電的窗

有沒有一扇窗既能透光又能發(fā)電?半透明有機太陽能電池就可以滿足這樣的需求。其光學(xué)性質(zhì)易調(diào)，且輕柔易加工安裝，可用于制造建筑或汽車外表面的光伏玻璃，具有重要的商業(yè)化潛力。

日前，華南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授葉軒立、中科院院士曹鏞及德國埃爾朗根—紐倫堡大學(xué)教授Christoph J. Brabec等人合作，開發(fā)出一種快速薄膜光學(xué)計算模型，并據(jù)此模擬了涵蓋幾乎所有可能的數(shù)千萬個薄膜結(jié)構(gòu)模型，從而確定了光電轉(zhuǎn)化率和透明度之間的最優(yōu)平衡關(guān)系，制備出兼具11%的光電轉(zhuǎn)化率和30%透明度的有機太陽能電池。相關(guān)成果近日發(fā)表在《細胞》子刊《焦耳》上。

發(fā)電vs透光

“半透明有機太陽能電池主要設(shè)計思路是在透過適量可見光以滿足視覺需求的同時，盡量吸收人類無法感知的紫外和近紅外光，并轉(zhuǎn)化為電能。”論文第一作者、華南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院博士研究生夏若曦告訴《中國科學(xué)報》。

夏若曦介紹，有機光伏材料可以通過分子結(jié)構(gòu)設(shè)計使其可見光吸收較弱且有相對寬而強的近紅外吸收能力。為進一步優(yōu)化器件的光學(xué)性質(zhì)，傳統(tǒng)的周期性一維光子晶體擁有選擇性反射指定波長光的特性，引入半透明有機太陽能電池后，可以選擇性反射人眼不敏感部分波長光至光敏層進行二次吸收，從而在較小影響透明度的情況下提高器件的光子捕獲率，以提高短路電流密度和光電轉(zhuǎn)化率。

研究團隊在對一維光子晶體增益的半透明有機太陽能電池進行光學(xué)設(shè)計時，不同于傳統(tǒng)的周期性一維光子晶體設(shè)計思路，將其各層厚度視為自由變量并將活性層與銀電極的厚度一并納入優(yōu)化，以考慮其間可能存在的耦合關(guān)系。通過遍歷幾乎所有可能的厚度組合(數(shù)千萬個組合)，光電轉(zhuǎn)化率和透明度之間的最優(yōu)平衡關(guān)系在光學(xué)層面上得以確定。

高通量模擬指導(dǎo)法

夏若曦說，該工作首先基于傳輸矩陣方法，開發(fā)了一個具有較快運行速度的薄膜光學(xué)計算模型。

傳輸矩陣方法是一套基于波動光學(xué)的數(shù)學(xué)方法，可依此法求解半透明有機太陽能電池的相關(guān)光學(xué)性能參數(shù)，建立光電轉(zhuǎn)化率和透明度與膜系厚度之間的函數(shù)關(guān)系。

研究團隊通過算法、代碼等優(yōu)化提升了模型計算速度，從而通過遍歷式計算將光學(xué)設(shè)計視為一個嚴(yán)謹(jǐn)而純粹的數(shù)學(xué)優(yōu)化問題。

運用該模型，他們對數(shù)千萬種可能的器件結(jié)構(gòu)進行模擬計算，詳細研究了半透明有機太陽能電池光電轉(zhuǎn)化率和透光率與膜系厚度之間的函數(shù)關(guān)系，從而在光學(xué)層面上嚴(yán)格確定了光電轉(zhuǎn)化率和透明度之間的最優(yōu)平衡關(guān)系。

事實證明，運用這種方法設(shè)計制造出的非周期性一維光子晶體獲得了預(yù)期的性能參數(shù)和光學(xué)特征，可以同時選擇性增強可見光透射和紫外、近紅外反射，證明了該方法的高效和科學(xué)性。

夏若曦認(rèn)為，高通量模擬指導(dǎo)法具有良好的普適性，尤其適用于多目標(biāo)、多厚度的協(xié)同優(yōu)化，可以廣泛用于有機光伏材料體系，甚至可以應(yīng)用于諸如鈣鈦礦太陽能電池等光伏器件或光探測器的光學(xué)設(shè)計，有巨大的應(yīng)用潛能。

新一代光伏技術(shù)

目前商業(yè)化的光伏技術(shù)主要是基于無機材料。夏若曦告訴《中國科學(xué)報》，以硅基為代表的無機光伏技術(shù)已經(jīng)高度成熟，憑借其高效、廉價等諸多優(yōu)勢幾乎壟斷整個光伏市場。

“因大規(guī)模儲能困難造成的太陽能并網(wǎng)瓶頸，需要我們加快發(fā)展分布式、家庭式、微電網(wǎng)式光伏的應(yīng)用，主要應(yīng)用場景包括建筑屋頂和外墻，這為半透明光伏技術(shù)帶來廣闊市場。”夏若曦說。

然而，晶體硅電池難以做成半透明，只能靠不透明電池之間的縫隙透光來實現(xiàn)所謂的“半透明”效果，不甚美觀;非晶硅電池可以做成半透明，但是也存在著效率低、透明度低、顏色單一等嚴(yán)重制約其在建筑玻璃上應(yīng)用的缺點。

相比之下，有機光伏材料不僅具有高度可調(diào)的光學(xué)性質(zhì)，而且易制成半透明的有機薄膜，因而在半透明光伏領(lǐng)域具有更大的應(yīng)用潛力。此外，有機光伏還擁有質(zhì)地輕柔、可室溫溶液加工等獨特的優(yōu)勢。

夏若曦說，有機光伏是正處于迅速發(fā)展中的研究熱點，近年來涌現(xiàn)出諸多由中國科學(xué)家引領(lǐng)的重要技術(shù)突破，如能進一步提升效率，改進大面積模組器件的制備工藝，并提升壽命和穩(wěn)定性，有機光伏將很有可能在10年內(nèi)于中國首先實現(xiàn)商業(yè)化。