科学家推出超高效串联有机太阳能电池

ICFO的研究人员制造了一种新的四端串联结构有机太阳能电池，其功率转换效率（PCE）为16.94%。新器件由高度透明的前置电池组成，该电池采用了仅7nm的透明超薄银（Ag）电极，确保了其高效运行。

双端串联有机太阳能电池（OSCs），作为克服单结太阳能电池中传输和热化损失问题的领先解决方案而脱颖而出。这些有机太阳能电池由具有不同带隙的前后亚电池组成，能够更广泛地吸收和使用太阳光谱。

然而，在这种配置中实现最佳性能需要两个子单元之间有足够的电流平衡。此外，制造这些类型的串联有机太阳能电池是具有挑战性的，因为它们需要一个强大的互连层，能够促进有效的电荷重组，同时保持高透明度。

四端串联配置

四端串联结构已成为太阳能电池设计中一种高效的替代策略。与双端方法不同，这种配置的特点是为透明的前电池和不透明的后电池分开电气连接。因此，电流匹配问题不再是一个限制因素。这种设置可以更灵活地选择串联中每个电池的带隙，从而优化光子吸收并提高太阳能生产的整体效率。

现在，在《太阳能RRL》杂志上发表的一项新研究中，ICFO研究人员Francisco bernal - texa和Jordi Martorell教授描述了一种四端串联有机太阳能电池的制造，该电池的功率转换效率（PCE）达到了16.94%。这项成就的核心是超薄透明银电极的制造，这是优化串联太阳能电池性能的关键部件。

为了制造这种新装置，研究人员首先探索了用于两种细胞光活性层的有机材料。他们检测了用于收集高能光子的前电池的三种不同混合物的有效性。最终选定了性能最好的共混物PM6:L8-BO。对于背面的不透明电池，研究人员决定使用PTB7-Th:O6T-4F混合材料，具有窄的带隙，这使得它更适合吸收光谱中的红外部分（低能光子）。

在选择了共混物之后，研究人员使用数值方法来设计四串联OSC的最终结构。他们使用矩阵形式化结合传统的逆问题解决方法来找到太阳能装置的最佳性能和最终配置。

超薄银电极的关键作用

制备厚度仅为7nm的超薄透明银电极是当前研究的关键。这个元件被放置在前面电池的后面，以确保良好的光传输来为后面的电池供电。用于透明太阳能电池应用的传统顶部银电极的厚度通常在9到15纳米之间。

它的生产需要对实验室条件进行细致的控制，以确保精度和一致性。然后将电极与三氧化钨（WO3）和氟化锂（LiF）交替堆叠在三个介电层上。这种光子多层结构具有至关重要的作用，因为它位于两个电池之间，以促进有效和均匀的光分布。研究人员写道：“这种结构在750-1000纳米范围内具有高透射性，在500-700纳米范围内具有高反射率。”

“透明银中间电极的开发对于太阳能电池的高效运行至关重要。它必须呈现出一种微妙的平衡，既要足够透明，让光线到达后面的电池，又要保持高导电性，以确保前面电池的最佳性能，”ICFO研究员、该研究的第一作者弗朗西斯科·伯纳尔（Francisco Bernal）说。“能够制造仅7nm的电极，而不会观察到前部透明电池的损耗，这是透明电池领域的重大进步。”

研究人员用太阳模拟器测试了该装置在1个太阳光照下的光伏性能，并测量了其量子效率。该装置实现了16.94%的功率转换效率，这将是迄今为止四端串联有机电池达到的最高效率。该研究的作者指出，目前有机串联装置的效率官方记录为14.2%，最新报道的4端有机串联装置的PCE为6.5%。

ICFO研究员兼SOREC2项目协调员Jordi Martorell教授解释说：“我们的研究在光电化学电池（PEC）中具有潜在的应用前景，解决了关键的电气要求，例如提供必要的电压，以超过驱动水分解或二氧化碳还原反应的既定电压，如SOREC2项目。设计和实现四端串联结构的方法可以应用于设计新闻系统，其中元件中足够的光分布对特定设备的性能至关重要。”

研究人员目前的重点是改进、调整和增强为太阳能燃料等应用量身定制的方法和结构设计，其中串联装置具有广泛的适用性。通过优化方法和设计策略，研究人员的目标是释放这些设备的全部潜力，利用太阳能进行多样化和可持续的能源转换过程，如二氧化碳转换和增值。

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