在正式的实验之前,许秋对现有的半透明器件文献做了一个简单的总结。
他发现半透明器件这个概念在好几年前就有了,文献也不少,光一区二区的文章就有十多篇,不少都是国外一个大组yangyang发表的。
不过,之前只有富勒烯的体系,虽然可见光范围内的平均透过率(avt)可以做的很高,最高甚至能达到50,但效率(pce)一直上不去。
光有avt,没有pce,这就和“只要面子,没有里子”差不多,就比如50的avt配上1的pce,没什么太大的意义,光伏器件最终还是得回归到效率的比拼上。
目前,性能最好的一个工作是基于pce10:pcb也只有25,他们采用的电极是薄层的10纳米银电极。
正式实验的时候,许秋尝试了三种薄层电极,分别是常用的金、银、铝,以pce10:ieico-4f和pce10:fnic-4f两个体系作为标样,制备了不同厚度金属电极的器件,从5纳米到正常的100纳米不等。
最终的结果,以pce10:ieico-4f体系为例。
电极厚度在100纳米条件下,金、银、铝电极,器件最高效率分别为12.3、12.4和12.5,三种电极的器件效率相当。此时器件的avt约为0,即器件几乎完全不透过可见光。
50纳米条件下,最高效率分别为12.0、12.1和12.0,三种电极的器件效率仍然相当。此时器件的avt同样约为0。
30纳米条件下,最高效率分别为10.8、11.0和6.2,三种电极的器件效率产生分化,其中金、银作为电极的器件,效率衰减不明显,而铝作为电极的器件,效率衰减比较严重。此时器件的avt达到了5-10,可见光有部分可以透过,可以模模糊糊的看到器件背后的东西。
20纳米条件下,最高效率分别为9.4、10.2和0,金、银作为电极的器件,效率衰减仍不明显,而铝作为电极的器件,已经断路。此时器件的avt达到了10-20,可见光有部分可以透过,可以模模糊糊的看到器件背后的东西。
10纳米条件下,最高效率分别为8.0、9.0和0,金、银作为电极的器件,也开始发生分化,银电极的器件效率更高。此时器件的avt达到了20-40,可见光有较大的一部分可以透过,可以较为清楚的看到器件背后的东西。
5纳米条件下,最高效率分别为5.3、1.2和0,金电极器件仍然能保持一定的器件效率,而银电极器件效率直接跳水,接近于断路。此时器件的avt达到了30-45,可见光有较大的一部分可以透过,可以很清楚的看到器件背后的东西。
另外,电极厚度降低的过程中,器件的效率衰减主要是因为短路电流密度降低所致,开路电压、填充因子两项参数几乎保持不变。
针对这些实验现象:
小学生的水平,能够得出比较简单的结论。
哇,世界纪录又被我打破了呢。
这也很正常,以许秋现在手中拥有的资源,不选择某个细分领域也就罢了,一旦选择了某个领域,那也就标志着这个细分领域的世界纪录就要易主了。
毕竟,他现在已经暂时成为有机光伏这个大领域的领路人。
中学生的水平,可以稍微往深想一想。
制备半透明器件,铝电极就是个垃圾,电极还没等达到半透明呢,器件就已经扑街了。
大学生的水平,再往深想一想。
当前的体系选用银电极比较好,在10-20纳米比较合适的区间内,器件性能都是最佳的那一个,这或许和他是导电性能最好的金属材料有关。
硕士生的水平,再再再往深想一想。
金电极在5纳米的厚度下,性能反超了银,这说明金属电极能否在薄层状态下导电,密度可能是一个非常关键的因素。
因为金的密度是19.32克每立方厘米,银的密度是10.49克每立方厘米,而铝只有2.70克每立方厘米。
金属导电的实质,是金属原子之间通过形成“电子气”来传导电子,这里导电有个前提条件,那就是金属原子之间要连续,不能有太多的缺漏。
在金属膜比较厚的时候,密度小一些也无所谓,反正可以近似实现紧密堆积,就算偶尔有缺陷,旁边也有其他的金属原子兄弟可以代为传递;
而当金属层比较薄的时候,密度小的金属材料在蒸镀时,就会更容易出现不均匀、不致密的现象,这时产生了缺陷,结果旁边没有金属原子兄弟帮忙了,那导致无法顺畅的传导电子,从而造成断路。
博士生的水平,还能再再往深想一想。
相较于不透明的金属电极,半透明金属电极造成器件性能损失的一个主要来源,是电极导电率的下降,直接影响电极收集电荷的能力,从而造成短路电流密度的降低,最终导致器件效率的衰减。
但还有另外一个性能损失的来源,那就是来自不透明金属电极的二次反射光会变少。
这个该怎么理解呢?
当太阳光入射一个光伏器件表面后,有一部分光会直接反射、散射损失掉,有一部分会转化为热能损失掉,在这之后的太阳光会到达有效层。
有一部分到达有效层的光会被有效层吸收,形成激子,之后拆分输运,形成电流,而还有一部分则会穿过有效层,到达顶电极的位置。
假如顶电极是100纳米厚的金、银、铝,也就