吸收边λonset,近似于顶电池材料可以吸收光波长的最大值,从900到1200纳米;
z,器件的理论光电转换效率pce,从12%到30%。
此外,还有第四个变量,即每个子电池的能量损失eloss,分为0.4、0.5、0.6、0.7、0.8电子伏特五个档次。
同时,假定填充因子ff恒定为0.75。
经过计算,得到在不同子电池能量损失下,光电转换效率随外量子效率和顶电池的光吸收边变化的曲面图像。
因为能量损失有五个档次,所以对应的三维立体坐标系中就有五个曲面。
许秋为了表述直观,还给五个曲面染了色,从蓝到红分别表示光电转换效率逐渐增大。
这张图片看起来比较高端,但其实背后的计算过程并不复杂。
顶电池的光吸收边,可以通过公式换算出有效层材料的禁带宽度,禁带宽度再减去假定的能量损失,就得到了开路电压。
禁带宽度已知,外量子效率已知,可以通过积分计算得到短路电流密度。
最后,填充因子是给定的0.75。
三者相乘,就得到了最终的光电转换效率。
理论预测的结果还是比较美好的。
在光吸收边为1100纳米,外量子效率75%,填充因子0.75,能量损失0.6电子伏特的条件下,有机光伏叠层器件的效率可以达到20%!
20%!
然而,理想很丰满,现实有点短。
现实的
况是,每个值都比理想
况下差5%左右。
比如,光吸收边实际上只有1000纳米,外量子效率只有70%,填充因子只有0.70,能量损失是0.65电子伏特。
从而导致,现实里的结果差不多就是20%*0.95*0.95*0.95*0.95=16.3%。
而现在都还做不到16.3%呢。
不过经过许秋团队的努力,已经非常的接近这个数值了。
剩下的b、c、d三张图片,就是把三维坐标系之下立体的a图,变为二维坐标下的平面图。
也就是分别固定外量子效率、顶电池的光吸收边,以及每个子电池的能量损失,三个变量其中的一个,考察光电转换效率随另外两个变量变化的二维图谱。
其中,光电转换效率同样通过之前的蓝红颜色进行表示,并绘制出等效率线。
值得注意的是,在这些半经验分析图片中,许秋都把填充因子恒定为0.75。
一方面,是因为填充因子相对比较特殊。
它虽然是变量,但影响它的因素非常多,不是很好优化和界定,不像短路电流密度和开路电压,可以认为直接和材料禁带宽度相关。
理论上讲,填充因子主要受到太阳能电池器件本身的影响,最终得到的器件串联电阻越大,并联电阻越小,填充因子就越小。
但实际上,不论是串联电阻还是并联电阻,都是在涂膜后才测试出来的,在涂膜前怎么让这两个数值随心意而改变,是比较难以做到的。
换言之,器件填充因子的优化,几乎是纯粹的结果导向。
填充因子比较小的体系,用到的光电材料以及加工工艺,在发展的过程中会被自动淘汰,或者自动转为冷门的领域。
比如,全聚合物有机光伏的n2200的体系,填充因子通常会比较低,甚至只有0.5、0.6左右,现在做这个领域的研究者就非常的少。
另一方面,也是因为在一个三维立体图谱中,只能有三个自变量,如果再加上一个填充因子作为变量,就需要用到四维坐标系了。
四维坐标系,许秋就算想画,也画不出来。
况且,现在虽说是三个自变量、一个因变量,其实也是有限制的。
其中一个自变量“每个子电池的能量损失”并不是连续变化,而是以0.1电子伏特为间隔跳动变化的。
如果这个变量也连续变化,那么最终得到的就是连续曲面。
点动成线,线动成面,面动成体。
连续变化的曲面就会等效为一个立体的结构。
此时,“每个子电池的能量损失”变量,将取代光电转换效率成为新的z坐标。
而原本是z坐标的效率将“坍缩”为颜色,或者是一个强度值,从而得到一张真·立体图谱。
在纸张这种二维空间中,是无法表达“真·立体图谱”这种三维图谱的。
这也是之前“每个子电池的能量损失”非连续变化的原因。
第二张图片,单结器件相关的表征。
这个和平常发的文章没什么太大的区别,相对比较常规,许秋暂定做四张图片:
顶电池、底电池有效层材料的分子结