Carbon Energy：叠层聚合物太阳能电池模拟与实证

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研究背景：

聚合物太阳能电池是解决能源危机和环境污染的有效途径之一，在弯曲折叠、质量、透明度、印刷面积等方面都具有突出的优势，被认为是具有重大产业前景的新一代绿色能源技术。但是，受限于光吸收范围过窄，单层聚合物太阳能电池的光电转换效率仍无法满足产业应用要求。而将具有互补吸收光谱的两个不同带隙的聚合物组装成叠层电池，则可以突破吸收范围过窄的限制，破解上述难题，通过顶底电池中活性材料互补的光吸收，更有效地利用太阳光，实现更高的能量转换效率。

叠层电池器件的难点在于恰到好处地选择顶电池、底电池的带隙，电流的匹配，厚度和复合层的优化。否则，就会产生比单结器件还低的光电转换效率。

韩国化学技术研究所Shin Won Suk教授与国立蔚山科学技术院Kim Jin Young教授、高丽大学Woo Han Young教授、庆熙大学Walker Bright教授采用传递矩阵法针对上述问题进行了研究，相关论文以“Modeling and Implementation of Tandem Polymer Solar Cells Using Wide-Band Gap Front Cells”为题发表于《Carbon Energy》（DOI:10.1002/cey2.20）。

成果简介：

在组装器件之前，文章首先分析顶电池和底电池中材料带隙的影响，再采用传递矩阵法（Transfer Matrix method）模拟设计并优化出有效的叠层电池结构。这种方法以现有不同活性材料层的吸收系数和开路电压为基础，估算出叠层器件参数，既节约了时间，又避免了材料浪费。

图1 示意图：a）叠层器件结构；b）顶电池材料结构；c）底电池材料结构。

采用这种方法，文章以PTB7-Th作底电池开展了针对一批宽带隙、高开路电压光电聚合物作叠层器件顶电池的研究。以顶电池和底电池的带隙变化为基础，模拟估算出叠层太阳能电池光电转换效率的最大值，提出了以现有材料的吸收系数模拟叠层器件的短路电流这一方法。

图2 叠层电池PCE预测：a）顶电池短路电流预测；b）底电池短路电流预测；c）基于顶底电池起始吸收波长和电压损失的PCE预测。

以PTB7-Th为底电池材料和0.8V的电压损失（Vloss）为基准，文章通过模拟计算发现，宽带隙聚合物太阳能电池中顶电池最优的起始吸收波长在680nm。根据这一模拟结果，拥有接近理想起始波长的吸光层材料PDTBTBZ-2F和PBTDT，作为顶电池组装成器件。得益于传递矩阵法，作者证实优化的器件结构和工艺条件能够产生最大的短路电流。通过完整的器件优化，作者获得了与传递矩阵法相一致的短路电流。令人惊喜的是，复合层的优化还把叠层器件的填充因子提升到74%，最终产生了12.8%的光电转换效率，是目前富勒烯基叠层器件最高的光电转换效率之一。

图3 优化的叠层电池（由底电池PTB7-Th、顶电池PDTBTBZ-2F和PBTDT组装）

文章链接：

Modeling and Implementation of Tandem Polymer Solar Cells Using Wide-Band Gap Front Cells

Seo‐Jin Ko, Hyosung Choi, Quoc Viet Hoang, Chang Eun Song, Pierre‐Olivier Morin, Jungwoo Heo, Mario Leclerc, Sung Cheol Yoon, Han Young Woo*, Won Suk Shin*, Bright Walker*, Jin Young Kim*

DOI:10.1002/cey2.20

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cey2.20

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