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、中國科學(xué)院院士曹鏞以及德國埃爾朗根-紐倫堡大學(xué)教授Christoph J. Brabec等人的聯(lián)合團隊，開(kāi)發(fā)了一種快速薄膜光學(xué)計算模型，并據此模擬了涵蓋幾乎所有可能的數千萬(wàn)個(gè)薄膜結構模型，從而確定了光電轉化率和透明度之間的最優(yōu)平衡關(guān)系，制備出兼具11%的光電轉化率和30%的透明度的有機太陽(yáng)能電池。相關(guān)成果近日發(fā)表在Cell旗下的能源期刊Joule上。
發(fā)電vs透光
“半透明有機太陽(yáng)能電池主要的設計思路是在透過(guò)適量的可見(jiàn)光以滿(mǎn)足視覺(jué)需求的同時(shí)，盡量吸收人類(lèi)無(wú)法感知的紫外和近紅外光，并轉化為電能。”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(guò)分子結構，設計成可見(jiàn)光吸收較弱且有相對寬而強的近紅外吸收。為了進(jìn)一步優(yōu)化器件的光學(xué)性質(zhì)，傳統的周期性一維光子晶體擁有選擇性反射指定波長(cháng)光的特性，引入半透明有機太陽(yáng)能電池后，可以選擇性反射人眼不敏感部分波長(cháng)光至光敏層進(jìn)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化率。
研究團隊在對一維光子晶體增益的半透明有機太陽(yáng)能電池進(jìn)行光學(xué)設計時(shí)，不同于傳統的周期性一維光子晶體設計思路，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(guò)遍歷幾乎所有可能的厚度組合（數千萬(wàn)個(gè)組合），光電轉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。
高通量模擬指導法
夏若曦告訴記者，他們的工作首先基于傳輸矩陣方法，開(kāi)發(fā)了一個(gè)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(dòng)光學(xué)的數學(xué)方法，可依此法求解半透明有機太陽(yáng)能電池的相關(guān)光學(xué)性能參數，建立光電轉化率和透明度與膜系厚度之間的函數關(guān)系。
研究團隊通過(guò)算法、代碼等優(yōu)化提升了模型計算速度，從而得以通過(guò)遍歷式計算將光學(xué)設計視為一個(gè)更嚴謹而純粹的數學(xué)優(yōu)化問(wèn)題。
運用該模型，他們對數千萬(wàn)種可能的器件結構進(jìn)行了模擬計算，詳細研究了半透明有機太陽(yáng)能電池光電轉化率和透光率與膜系厚度之間的函數關(guān)系，從而在光學(xué)層面上嚴格確定了光電轉化率和透明度之間的最優(yōu)平衡關(guān)系。
事實(shí)證明，運用這種方法設計制造出的非周期性一維光子晶體獲得了預期的性能參數和光學(xué)特征，可以同時(shí)選擇性增強可見(jiàn)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。
夏若曦認為，高通量模擬指導法具有良好的普適性，尤其適用于多目標、多厚度的協(xié)同優(yōu)化，可以廣泛用于有機光伏材料體系，甚至可以應用于諸如鈣鈦礦太陽(yáng)能電池等光伏器件或光探測器的光學(xué)設計，有巨大的應用潛能。
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(wú)機材料。夏若曦告訴《中國科學(xué)報》，以硅基為代表的無(wú)機光伏技術(shù)已經(jīng)高度成熟，憑借其高效、廉價(jià)等諸多優(yōu)勢幾乎壟斷整個(gè)光伏市場(chǎng)。
“因大規模儲能困難造成的太陽(yáng)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)式光伏的應用，主要應用場(chǎng)景包括建筑屋頂和外墻，這為半透明光伏技術(shù)帶來(lái)廣闊市場(chǎng)。”夏若曦說(shuō)。
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(lái)實(shí)現所謂的“半透明”效果，不甚美觀(guān)；非晶硅電池可以做成半透明，但是也存在著(zhù)低效率、低透明度、顏色單一等嚴重制約其在建筑玻璃上應用的缺點(diǎn)。
相比之下，夏若曦說(shuō)道，有機光伏材料不僅具有高度可調的光學(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。
以此制作出的器件能夠兼具11%的光電轉化率和30%的透明度，正是得益于有機材料本身特有的光學(xué)優(yōu)勢和科學(xué)嚴謹的光學(xué)設計。相較而言，商用的半透明光伏在透明度不足30%的情況下，效率只有11%的一半甚至更低。
夏若曦說(shuō)，有機光伏是正處于迅速發(fā)展中的研究熱點(diǎn)，而且近年來(lái)涌現出諸多由中國科學(xué)家引領(lǐng)的重要的技術(shù)突破，如能進(jìn)一步提升效率，改進(jìn)大面積模組器件的制備工藝，并提升壽命和穩定性，有機光伏將很有可能在十年內于中國首先實(shí)現商業(yè)化。
