新型四端串联有机太阳能电池实现16.94%的功率转换效率

ICFO的研究人员制造了一种新型串联配置的四端有机太阳能电池，功率转换效率(PCE)为16.94%。新器件由高度透明的前电池组成，其中包含仅7nm的透明超薄银(Ag)电极，保证了其高效运行。

两端串联有机太阳能电池(OSC)是解决单结太阳能电池传输和热化损失的最有前途的方法之一。这些有机太阳能电池由具有不同带隙的前部和后部子电池组成，从而能够更广泛地吸收和利用太阳光谱。

然而，在这种配置中实现最佳性能需要两个子电池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具有挑战性，因为它们需要坚固的互连层，能够促进有效的电荷重组，同时保持高透明度。

四端子串联配置已成为太阳能电池设计中的高效替代策略。与两端方法不同，这种配置具有用于透明前电池和不透明后电池的独立电连接。

因此，电流匹配问题不再是限制因素。这种设置可以更灵活地选择串联的每个电池的带隙，从而优化光子吸收并提高太阳能生产的整体效率。

现在，在《SolarRRL》杂志上发表的一项新研究中，ICFO研究人员FranciscoBernal-Texca和JordiMartorell教授描述了四端子串联有机太阳能电池的制造方法，该电池已实现16.94%的功率转换效率(PCE)。这一成就的核心是超薄透明银电极的制造，这是一个关键部件，在优化串联太阳能电池的性能方面发挥着关键作用。

为了制造这种新设备，研究人员首先探索了用于两种电池光敏层的有机材料。他们检查了前电池的三种不同混合物的有效性，该前电池旨在收集高能光子。最终选择了性能最好的混合物，名为PM6:L8-BO。对于背面不透明电池，研究人员决定使用PTB7-Th:O6T-4F混合物，其带隙较窄，这使其更适合吸收光谱的红外部分(低能光子)。

选择混合物后，研究人员使用数值方法设计了四串联OSC的最终结构。他们使用矩阵形式与传统的逆问题解决方法相结合来找到太阳能装置的最佳性能和最终配置。

厚度仅为7nm的超薄透明银电极的制造是当前研究的关键内容。该元件被放置在前电池的背面，确保良好的光传输，为后电池供电。用于透明太阳能电池应用的传统顶部银电极的厚度通常为9至15nm。

其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。然后电极堆叠有三氧化钨(WO3)和氟化锂(LiF)交替的三个介电层。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，有利于高效、均匀的光分布。

研究人员写道：“这种结构在750-1,000nm范围内表现出高透射率，在500-700nm范围内表现出高反射率。”

“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。它必须呈现出微妙的平衡，足够透明以允许光线到达背面电池，同时保持高导电性，以确保太阳能电池的最佳性能。前细胞”，ICFO研究员、该研究的第一作者Bernal说。“能够制造仅7nm的电极而不观察到正面透明电池的损耗，是透明电池领域的重大进步。”

研究人员使用太阳模拟器测试了该器件在1个太阳光照下的光伏性能，并测量了其量子效率。该器件实现了16.94%的功率转换效率，这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，目前有机串联器件的官方效率记录为14.2%，而最新报道的4端有机串联器件的PCE为6.5%。

ICFO和ICFO研究员Martorell教授解释说：“我们的研究在光电化学电池(PEC)方面具有潜在应用，可满足关键的电气要求，例如提供必要的电压，以超过驱动水分解或CO2还原反应(如SOREC2项目)所建立的电压。”SOREC2项目协调员。

“四端串联结构的设计和实现方法可以应用于设计新闻系统，其中元件中光线的充分分布对于特定设备的性能至关重要。”

研究人员目前的重点是完善、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，串联装置在这些应用中具有广泛的适用性。通过优化方法和设计策略，研究人员旨在释放这些设备在利用太阳能进行多样化和可持续的能源转换过程(例如CO2转换和增值)方面的全部潜力。