突破20%效率！科学家创新双面结构优化有机太阳能电池
突破20%效率！科学家创新双面结构优化有机太阳能电池
有机太阳能电池（OSC）因其轻质、柔性、透明、低成本和易于加工等独特优势，被视为极具潜力的下一代可持续能源技术之一。近日，一篇发表在《Science Advances》上的研究论文展示了科学家们如何通过创新设计，将双面有机太阳能电池的效率提升至20.4%。这项突破性研究不仅解决了传统双面OSC在光收集和光学损失方面的难题，还为该技术的实际应用开辟了新的可能性。
研究背景
有机太阳能电池的发展现状
当前，有机太阳能电池（OSC）因具备重量轻、柔性、透明、成本低且易于加工等独特优势，被视为极具潜力的下一代可持续能源技术之一。截至目前，刚性和柔性单结OSC的功率转换效率（PCE）分别已超过20%和18%。这一成果的取得得益于有机半导体的发展以及器件结构的改进，例如采用窄带隙非富勒烯受体材料，使吸收边从可见光扩展到近红外区域，结合高性能给体材料和多组分体系，实现了宽光谱的光吸收，推动了效率的不断突破。
双面太阳能电池的优势与面临的挑战
双面太阳能电池具有双面采光的能力，相较于单面太阳能电池，在理论上能够实现更高的能量产出，在实际应用中有望显著提高发电效率。然而，对于双面OSC而言，其发展面临诸多挑战。传统OSC中活性层厚度有限，一般仅约100nm，这使得双面OSC难以同时有效地捕获前向阳光和反照光。尽管将银膜厚度减至10-20nm可使OSC具备反照光收集能力，但超薄银膜存在低折射率、粗糙表面、高反射和吸收等问题，导致严重的光学损失。虽然采用光学耦合层和引入种子层等策略可在一定程度上减轻光学损失，但由于非理想的膜形态和高消光系数，超薄银膜仍存在相当大的寄生吸收，从而影响了OSC的效率。
研究内容
不对称光学传输阵列（AOT）的设计与优化
AOT的设计原理
为了抑制阳光透射并保留反照光传播，研究人员在透明银电极后方设置了倾斜45°的透明金字塔阵列作为AOT。根据斯涅尔定律，这样的设计可使透过的阳光在金字塔内发生两次全内反射，从而将其反射回活性层。
材料筛选与结构优化
通过时域有限差分（FDTD）方法模拟筛选，研究了聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）和聚碳酸酯（PC）三种材料构建的AOT。模拟结果表明，无论选择哪种材料，AOT的引入都能显著抑制光逃逸。其中，PC基AOT在300-1000nm波长范围内平均反射率最高，可达97.3%，且在较大入射角下优势更为明显。因此，PC被选为构建AOT的材料。
进一步优化AOT结构，研究发现金字塔阵列周期对其光学传输效果有影响。随着周期减小，AOT的光阻挡能力逐渐降低，尤其在长波长区域。对5μm、20μm和40μm金字塔AOT的电场分布模拟显示，5μmAOT由于结构尺寸接近亚波长尺度，可能存在衍射现象，导致空气侧电场较强，透射较高；而较大金字塔的AOT抑制了空气侧电场，不对称光学传输效果随金字塔周期增加而增强。综合考虑材料成本和重量，最终选择40μm金字塔来增强双面OSC的光收集能力。
AOT集成透明银电极（ATE）中的表面等离子体（SP）动力学
ATE的光学特性
将优化后的AOT与12nm厚的透明银电极集成形成ATE。测试其光学性能发现，12nm银膜在330nm处有透射峰，随着波长增加透射率逐渐降低，900nm处透射率低于25%。
ATE前向透射率较低，约为10%，能有效抑制前向光照逃逸，但反射率受12nm银膜寄生吸收影响不理想；后向透射率相对较低，主要源于12nm银膜的反射和吸收。
SP机理分析与调控
通过原子力显微镜（AFM）表征和光学模拟，发现银膜表面粗糙度导致额外光损耗。对于理想平面银膜，其吸收源于Ag的本征吸收，与光学导纳匹配条件相关；而粗糙银膜表面的凸起会产生额外光学损失，在380nm和500nm左右出现特征吸收峰，最高吸收超过16%。
模拟电场分布发现，前向光照时粗糙银膜表面激发的SP更强，导致相应凸起处吸收更高。
通过在银膜上覆盖高介电常数的硫化锌（ZnS），抑制了SPP激发，降低了光学损耗，但同时增强了PDINO/Ag界面的SP，导致后向反射降低。
SP能量回收策略
为回收SP能量，在PDINO中掺杂有机发射体2CzBN。2CzBN的吸收光谱与ATE的宽带吸收重叠良好，促进了SP与2CzBN之间的能量转移。测试发现，PDINO:2CzBN的光致发光（PL）强度因SP增强发射而提高了三倍以上，量子产率大幅提升，有利于SP能量回收。最终，优化后的ATE实现了前向透射率低于7%，后向透射率高达86%。
双面OSC的光伏性能研究
器件制备与基本性能测试
制备了结构为glass/indiumtinoxide（ITO）/PEDOT:PSS/D18:Y6:Y6-1O/PDINO/TE的双面OSC，并以100nm厚银膜的单面器件为参考。单面器件获得了17.96%的良好PCE。双面OSC中，12nm银膜电极的器件Voc为0.87V，Jsc为25.58mAcm⁻²，FF为74.76%，PCE为16.60%，低于单面器件，这是由于后电极光逃逸和12nm银膜较高的sheetresistance。而引入ATE后，Jsc增强至28.87mAcm⁻²，PCE提高到18.67%，得益于ATE的不对称光学传输和抗反射协同效应。
性能优化与对比分析
通过优化SP-ATE基双面OSC的给体/受体（D/A）比、活性层厚度和添加剂，进一步提高了器件性能。例如，D/A比为1:1.6时，器件实现了光吸收、激子解离和电荷提取的平衡，PCE超过20%（如表S3-S5所示）。对不同活性层厚度的器件研究发现，103nm厚的活性层在光吸收和电荷提取之间取得最佳平衡，获得了最高PCE。优化后的SP-ATE基器件Jsc增加到31.83mAcm⁻²，Voc和FF基本不变，PCE达到20.44%，是目前报道的OSC中的最高值。
对比不同器件在单面和双面照明下的光伏特性，发现引入ATE和SP-ATE后，器件效率显著提高。根据相关标准测试，不同电极的双面OSC在0.2反照率下的等效效率与测量值相符，验证了SP-ATE在双面OSC中的优越性。此外，测试了双面OSC作为透明OSC的平均可见光透射率（AVT），发现SP-ATE基器件在前后向照明下AVT均有所提高，后向光利用效率（LUE）最高可达2.48%，可作为半透明OSC。
角度与反照率依赖性研究
研究了器件在不同照射角度下的效率，发现12nmAg基器件效率随角度增加迅速下降，而SP-ATE基器件在宽角度照射下表现优异，前向和后向PCE在60°入射角时分别能保持初始值的63.9%和81.3%。测量不同反照率下SP-ATE基OSC的光伏特性，发现在0.3和0.4反照率下，PCE分别可达21.92%和23.35%，表明其在高反照率场景下性能出色。
户外测试与实际应用潜力
进行户外测试，将背景从混凝土依次变为草和白色泡沫，发现SP-ATE基双面OSC的光电流逐渐增加，展示了其在实际应用中提高发电效率的潜力。通过模拟发电密度（PGD）对比单面和双面OSC，发现SP-ATE基双面OSC在高反照率背景（如雪）下PGD可达25.52%，在实际应用中具有显著优势。
柔性器件应用与稳定性评估
将SP-ATE应用于柔性OSC，制备的柔性器件效率达到18.93%，是目前报道的最高值。在弯曲测试中，SP-ATE基柔性OSC在半径为5mm的弯曲条件下，经过2000次循环后仍能保持约80%的初始PCE，展示了良好的机械稳定性。
研究结论
本研究提出了一种双面OSC的反照光收集结构，通过制备基于周期性金字塔的AOT，并与透明银电极集成，有效调控了光学和SP动力学。优化后的AOT显著增强了双面OSC对前向和后向光照的光收集能力，结合SP调节策略，实现了低非吸收损失和减少寄生吸收。在0.2反照率下，双面OSC的PCE达到20.4%，高于单面器件约18%的效率。户外测试和PGD分析表明，优化后的双面OSC在高反照率应用场景中表现更优，且在柔性OSC应用中也展现出良好的兼容性和稳定性。本研究为OSC性能突破提供了新的思路和方法，有望推动该领域的进一步发展。
参考文献
Hao Ren et al. ,20.4% Power conversion efficiency from albedo-collecting organic solar cells under 0.2 albedo. Sci. Adv.10, eadp9439(2024).