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(guó)科學(xué)院院士曹鏞以及德國(guó)埃爾朗根-紐倫堡大學(xué)教授Christoph J. Brabec等人的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)，開(kāi)發(fā)了一種快速薄膜光學(xué)計(jì)算模型，并據(jù)此模擬了涵蓋幾乎所有可能的數(shù)千萬(wàn)個(gè)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%的透明度的有機(jī)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(jī)太陽(yáng)能電池主要的設(shè)計(jì)思路是在透過(guò)適量的可見(jiàn)光以滿足視覺(jué)需求的同時(shí)，盡量吸收人類無(wú)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(guó)科學(xué)報(bào)》。

夏若曦介紹，有機(jī)光伏材料可以通過(guò)分子結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)成可見(jiàn)光吸收較弱且有相對(duì)寬而強(qiáng)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(tǒng)的周期性一維光子晶體擁有選擇性反射指定波長(zhǎng)光的特性，引入半透明有機(jī)太陽(yáng)能電池后，可以選擇性反射人眼不敏感部分波長(zhǎng)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(zhuǎn)化率。

研究團(tuán)隊(duì)在對(duì)一維光子晶體增益的半透明有機(jī)太陽(yáng)能電池進(jìn)行光學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)，不同于傳統(tǒng)的周期性一維光子晶體設(shè)計(jì)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(shù)千萬(wàn)個(gè)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(yùn)行速度的薄膜光學(xué)計(jì)算模型。

傳輸矩陣方法是一套基于波動(dòng)光學(xué)的數(shù)學(xué)方法，可依此法求解半透明有機(jī)太陽(yáng)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(tuán)隊(duì)通過(guò)算法、代碼等優(yōu)化提升了模型計(jì)算速度，從而得以通過(guò)遍歷式計(jì)算將光學(xué)設(shè)計(jì)視為一個(gè)更嚴(yán)謹(jǐn)而純粹的數(shù)學(xué)優(yōu)化問(wèn)題。

運(yùn)用該模型，他們對(duì)數(shù)千萬(wàn)種可能的器件結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模擬計(jì)算，詳細(xì)研究了半透明有機(jī)太陽(yáng)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(shí)證明，運(yùn)用這種方法設(shè)計(jì)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(shí)選擇性增強(qiáng)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(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(jī)光伏材料體系，甚至可以應(yīng)用于諸如鈣鈦礦太陽(yáng)能電池等光伏器件或光探測(cè)器的光學(xué)設(shè)計(jì)，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(wú)機(jī)材料。夏若曦告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，以硅基為代表的無(wú)機(jī)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(shì)幾乎壟斷整個(gè)光伏市場(chǎng)。

“因大規(guī)模儲(chǔ)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(yīng)用，主要應(yīng)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(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，但是也存在著低效率、低透明度、顏色單一等嚴(yán)重制約其在建筑玻璃上應(yīng)用的缺點(diǎn)。

相比之下，夏若曦說(shuō)道，有機(jī)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(jī)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(jī)光伏還擁有質(zhì)地輕柔、可室溫溶液加工等獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

以此制作出的器件能夠兼具11%的光電轉(zhuǎn)化率和30%的透明度，正是得益于有機(jī)材料本身特有的光學(xué)優(yōu)勢(shì)和科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓鈱W(xué)設(shè)計(jì)。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(jī)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(xiàn)出諸多由中國(guó)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(wěn)定性，有機(jī)光伏將很有可能在十年內(nèi)于中國(guó)首先實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。