华南理工Joule：高通量光学筛选高效半透明有机太阳电池

【引言】

半透明光伏技术可应用于建筑或汽车的光伏玻璃。理想的半透明光伏器件应该吸收紫外和近红外光并根据视觉需求透过适量的可见光。传统的无机光伏材料的光学性质难以调控，故无法很好地满足上述复杂的光学需求。有机光伏材料不仅具有高度可调的光学性质，而且易制成半透明的有机薄膜。有机光伏因而在半透明光伏领域具有更大的应用潜力^1-3。半透明有机太阳电池(STOSC)最主要的两个性能指标--能量转换效率(PCE)和可见光透过率(VLT)通常是负相关的。为了进一步优化器件光学性质以更好地平衡PCE和VLT，将周期性一维光子晶体(PC)引入STOSC以选择性反射人眼不敏感部分波长光至光敏层进行二次吸收，从而在较小影响VLT的情况下提高器件的光子捕获率以提高短路电流密度(J_sc)和PCE。

【成果简介】

7月8日，Cell Press出版社的能源类期刊Joule在线发表题为“高通量光学筛选高效半透明有机太阳电池”(High-Throughput Optical Screening for Efficient Semitransparent Organic Solar Cells)的研究论文⁴，作者为华南理工大学的夏若曦、叶轩立教授（通讯）和曹镛院士，以及德国埃尔朗根-纽伦堡大学的Prof. Brabec。

本文亮点：

开发出一个具有较快运行速度的薄膜光学计算模型并模拟了数千万个器件结构；制备出兼具接近11%的PCE和30%的VLT的PC增益的STOSC；高通量光学设计方法尤其适用于多目标、多厚度的协同优化。

【图文导读】

对比研究两个活性层体系PTB7-Th:PC₇₁BM和PTB7-Th:IEICO-4F，前者在可见光波段有大致均匀的吸收，后者可见光吸收较弱但有相对宽而强的近红外吸收。在对PC增益的STOSC进行光学设计时，不同于传统的PC设计思路，将PC的各层厚度视为自由变量并将活性层与银电极的厚度一并纳入优化以考虑其间可能存在的耦合关系。通过遍历几乎所有可能的厚度组合（数千万个组合），PCE和VLT之间的最优平衡关系在光学层面上得以确定。

图1. PC增益的STOSC的高通量光学模拟

（a）PTB7-Th，PC₇₁BM和IEICO-4F的化学结构；

（b）PTB7-Th:PC₇₁BM和PTB7-Th:IEICO-4F的光学常数；

（c）器件结构和膜厚；

（d）所有模拟器件的(VLT,PCE)坐标。插入图是黑点处的放大图。

在模拟指导下，从诸多计算结果中筛选出优化的厚度结构并制备出相应的器件，得到了一系列不同VLT下的高效器件。

图2. 光学模拟指导的器件制备

（a）从模拟结果中优选出的器件结构；

（b）优选器件的模拟的(VLT,PCE)坐标；

（c）制备出的基于PTB7-Th:PC₇₁BM的器件的PCE，J_sc和VLT。插入图是器件a及其无PC的参考器件的实物照片；

（d）制备出的基于PTB7-Th:IEICO-4F的器件的PCE，J_sc和VLT。插入图是器件Y部分遮挡的校园风景照。

量子谱和光谱研究显示出基于PTB7-Th:IEICO-4F的优化器件具有良好的光学性质：在近红外波段几乎无透射且具有强吸收；450~600 nm的选择性透过大致涵盖了人眼最敏感的波段范围；光学和内量子损失之和在主要波段内基本被抑制在25%左右。值得注意的是，该方法设计的PC可以同时选择性增强可见光透过和紫外、近红外反射，因而相比于传统PC设计的器件具备更加理想的光学性质。

图3. 量子效率和透光率

(a, b) 基于(a)PTB7-Th:PC₇₁BM和(b)PTB7-Th:IEICO-4F的器件的测量的外量子效率(EQE)、透光率(T)和量子利用率(QUE=EQE+T)图谱；

(c, d) (c)测量的和(d)模拟的EQE、T和QUE图谱的对比。

提供了一个代表器件的详尽的光学信息。

图4. 器件Y的光学性质

（a）能量分布图。图被蓝线、两条红线和绿线分为五块。从下到上依次是EQE、IQE损失、寄生吸收、反射和透射。寄生吸收又被彩色虚线分为玻璃、ITO、PEDOT:PSS、PFN-Br和Ag的寄生吸收。蓝实线和绿实线是实测的，其它都是模拟的，包括供对比的模拟的透过（绿虚线）；

（b）模拟的光电场强度(|E|²)分布；

（c）模拟的光子吸收率分布及其对波长的积分。

定义PCE保留率(PRR)为半透明器件PCE除以其对应的不透明器件PCE，模拟的PRR可以定量描述不透明器件和半透明器件之间的效率关系。值得注意的是，PRR的模拟仅基于器件各层材料的光学常数，即：PRR反映了器件的光学性质，并描述了其与活性层光学性质和器件结构的关系。

图5. 模拟的PCE保留率

插入图是模拟的器件B(蓝星)和Y(红星)的EQE与其对应的不透明器件的EQE的差值。

展望

有别于有机光伏方向普遍的“事前试错，事后解释”型研究，这项工作基本完全基于理论计算分析，并通过高通量遍历式的计算将光学设计视为一个更严谨而纯粹的数学问题。同时，研究者认为，高通量光学设计方法尤其适用于多目标、多厚度的协同优化，因而有更多的应用潜能。

原文献信息：https://doi.org/10.1016/j.joule.2019.06.016

参考文献

1.Traverse, C.J., Pandey, R., Barr, M.C., and Lunt, R.R. (2017). Emergence of highly transparent photovoltaics for distributed applications. Nat. Energy 2, 849–860.

2.Xue, Q., Xia, R., Brabec, C.J., and Yip, H.-L. (2018). Recent advances in semi-transparent polymer and perovskite solar cells for power generating window applications. Energy Environ. Sci. 11, 1688–1709.

3.Chang, S.-Y., Cheng, P., Li, G., and Yang, Y. (2018). Transparent polymer photovoltaics for solar energy harvesting and beyond. Joule 2, 1039–1054.

4.Xia, R., Brabec, C.J., Yip, H.-L., and Cao, Y. (2019). High-Throughput optical screening for efficient semitransparent organic solar cells. Joule. https://doi.org/10.1016/j.joule.2019.06.016.

本文由文章第一作者夏若曦投稿