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侯林涛、曹镛院士:高效低成本半透明聚合物太阳能电池!

光伏电池组件  来源:材料科学与工程    2020/5/19 9:00:14  我要投稿  

北极星太阳能光伏网讯:导读:半透明建筑的光伏系统(发电外墙,遮挡物,屋顶和窗户)需要具有柔性,半透明性,环境友好性,高产质量轻等特点的太阳能电池。本文制备出一种新型高效低成本全柔性微孔半透明聚合物太阳能电池,而且能够在实际应用中满足色彩要求。

溶液处理的低成本半透明聚合物太阳能电池(STPSC)被认为是下一代半透明建筑集成光伏系统(发电外墙,遮挡物,屋顶和窗户)中的有吸引力的发展对象,与传统的硅太阳能电池相比具有诸多优势,例如柔性,半透明性,环境友好性,高产质量轻等特点。但是受到设备内不当的光学分布限制,STPSC的电流密度与光电转换效率低于不透明部分,其可能主要归因较少的光利用,入射光可以很容易的从高透明背电极逸出。为了提高效率的有效办法,一般采用一维光子晶体(1DPC)作为出色的光捕获增强体系结构,1DPC具有出色的光子控制能力与颜色可变性,无机1DPC较差弯曲性不利于将电池集成到可穿戴的柔性织物上,有机聚合柔性P1DPC则较少受到关注,主要是因为其采用全溶液法,在多层膜制备的过程中,很难控制每一层膜厚的均一性。

近日,暨南大学侯林涛与华南理工大学曹镛院士等人首次在高带隙三烷基硅烷基取代的2D富勒烯与非富勒烯体系的活性层与F-1DPC等探索制备无ITO透明电极的高效低成本全柔性微孔半透明聚合物太阳能电池。选用共轭聚合物J71与非富勒烯受体ITIC体系以及PTB7-Th聚合物与富勒烯PCBM,两者体系在加入不同的F-1DPC中,前者体系从6.65%的效率提升到最高8.20%,后者也从4.28%效率提升到5.41%,说明了此种新颖的方式的普适性。同时还发现在不同光子带息聚合物F-1DPC对全柔性聚合物半透明太阳能电池的透射光谱有着非常重要的影响,能够在实际应用中满足色彩要求。相关论文近日发表在ACS Appl. Mater. Interfaces。

论文链接:

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.0c03508

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研究者首先利用PEDOT:PSS与5%的二甲亚砜和0.5%的表面活性剂(FS-30)混合,获得更高的电导率与更好的表面润湿性,在分别旋涂好二元聚合物/富勒烯或非富勒烯材料溶液成膜,聚合物F-1DPCs通过PMMA/PS堆叠共同挤出,在二元体系中再加入一定比例的1,8二碘辛烷与氯萘等添加剂,利用PET基板来制备倒置的STPSC,在旋涂PFN后蒸镀Ag,随后再旋涂氧化锌以及聚合物活性层,通过退火来去除多余的水分。

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图1.两种不同体系的有机聚合物材料体系与半透明聚合物太阳能电池设备示意图

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图2.F-1DPC引入与没有F-1DPC时富勒烯基于非富勒烯基的激子生成速率的模拟轮廓图

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图3.CIE颜色坐标的分布图

总的来说,作者首次从实验和模拟结果中全面展示了具有富勒烯与非富勒烯、聚合物F-1DPCs与低成本透明电极的新型全柔性无ITO基底的微孔半透明聚合物太阳能电池,同时富勒烯/非富勒烯基与F-1DPCs结合均表现出出色的电流密度增强性。当两类电池横向比较时,发现以富勒烯基的半透明聚合物太阳能电池光电效率提升更为明显,原因是富勒烯系在较宽的波长范围内的低吸收系数有关,这意味着聚合物F-1DPCs可以进一步提高低吸收系数的活性系统中的光吸收。

当通过计算激子产生速率,光子吸收速率分布,器件吸收以及透射率的深入分析有助于详细了解聚合物F-1DPCs如何影响全柔性半透明器件的性能.此外,测得的CIE颜色坐标的变化也很好的与模拟结果相对应。CIE颜色坐标的广泛分布,表明以聚合物F-1DPCs与富勒烯体系的新型半透明电池能很好地使用于弧形设备与可穿戴器件之中。(文:kirin)


原标题:侯林涛、曹镛院士等人:高效低成本半透明聚合物太阳能电池!

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