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科学家研发出半透明的有机太阳能电池 将来窗户也能发电了

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7月18日,华南理工大学材料科学与工程学院教授叶轩立、中科院院士曹镛及德国埃尔朗根—纽伦堡大学教授Christoph J. Brabec等人协作措施,开发出这一快速薄膜光学计算模型,并据此模拟了富含几乎所有肯能的数千万个薄膜形态学 模型,从而确定了光电转化率和透明度之间的最优平衡关系,制备出兼具11%的光电转化率和60 %透明度的有机太阳能电池。相关成果近日发表在《细胞》子刊《焦耳》上。

“半透明有机太阳能电池主要设计思路是在透过适量可见光以满足视觉需求的同时,尽量吸收人类无法感知的紫外和近红外光,并转化为电能。”论文第一作者、华南理工大学材料科学与工程学院博士研究生夏若曦告诉《中国科学报》。

夏若曦介绍,有机光伏材料都上能 通过分子形态学 设计使其可见光吸收较弱且有相对宽而强的近红外吸收能力。为进一步优化器件的光学性质,传统的周期性一维光子晶体拥有确定性反射指定波长光的形态学 ,引入半透明有机太阳能电池后,都上能 确定性反射人眼不敏感部分波长光至光敏层进行二次吸收,从而在较小影响透明度的清况 下提高器件的光子捕获率,以提高短路电流密度和光电转化率。

研究团队在对一维光子晶体增益的半透明有机太阳能电池进行光学设计时,不同于传统的周期性一维光子晶体设计思路,将其各层角度视为自由变量并将活性层与银电极的角度同时纳入优化,以考虑其间肯能发生的耦合关系。通过遍历几乎所有肯能的角度组合(数千万个组合),光电转化率和透明度之间的最优平衡关系在光学层面上得以确定。

高通量模拟指导法

夏若曦说,该工作首先基于传输矩阵措施,开发了另三个 具有较快运行效率的薄膜光学计算模型。

传输矩阵措施是一套基于波动光学的数学措施,可依此法求解半透明有机太阳能电池的相关光学性能参数,建立光电转化率和透明度与膜系角度之间的函数关系。

研究团队通过算法、代码等优化提升了模型计算效率,从而通过遍历式计算将光学设计视为另三个 严谨而纯粹的数学优化大问题。

运用该模型,一群人对数千万种肯能的器件形态学 进行模拟计算,完整篇 研究了半透明有机太阳能电池光电转化率和透光率与膜系角度之间的函数关系,从而在光学层面上严格确定了光电转化率和透明度之间的最优平衡关系。

事实证明,运用许多 措施设计制伟大的发名的非周期性一维光子晶体获得了预期的性能参数和光学形态学 ,都上能 同时确定性增强可见光透射和紫外、近红外反射,证明了该措施的高效和科学性。

夏若曦认为,高通量模拟指导法具有良好的普适性,尤其适用于多目标、多角度的协同优化,都上能 广泛用于有机光伏材料体系,甚至都上能 应用于诸如钙钛矿太阳能电池等光伏器件或光探测器的光学设计,有巨大的应用潜能。

新一代光伏技术

目前商业化的光伏技术主如果 基于无机材料。夏若曦告诉《中国科学报》,以硅基为代表的无机光伏技术肯能角度性成熟图片 图片 的句子是什么是什么期期的句子的句子 是什么的句子的句子,凭借其高效、廉价等诸多优势几乎垄断整个光伏市场。

“因大规模储能困难造成的太阳能并网瓶颈,须要一群人加快发展分布式、家庭式、微电网式光伏的应用,主要应用场景包括建筑屋顶和外墙,这为半透明光伏技术带来广阔市场。”夏若曦说。

然而,晶体硅电池难以做成半透明,都上能不需要 靠不透明电池之间的缝隙透光来实现所谓的“半透明”效果,不甚美观;非晶硅电池都上能 做成半透明,许多也发生着效率低、透明度低、颜色单一等严重制约其在建筑玻璃上应用的缺点。

相比之下,有机光伏材料不仅具有角度可调的光学性质,许多易制成半透明的有机薄膜,因而在半透明光伏领域具有更大的应用潜力。此外,有机光伏还拥有质地轻柔、可室温溶液加工等独特的优势。

夏若曦说,有机光伏是正发生越来越快发展中的研究热点,近年来涌现出诸多由中国科学家引领的重要技术突破,如能进一步提升效率,改进大面积模组器件的制备工艺,并提升寿命和稳定性,有机光伏将很有肯能在10年内于中国首先实现商业化。

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