文|煮酒
圖|煮酒
在我們快速發展的行業和社會中，互聯機器和智能設備變得越來越重要。這些技術及其基礎設施總結為物聯網 （IoT）。物聯網設備的數量呈指數級增長，預計到 12 年市場規模約為 000.2030 億美元。
然而，早在 2020 年，物聯網設備的數量就已計算出約 50 億台，其中許多在室內使用。因此，能源需求的增加伴隨著這種增長。為了給這些設備提供環保的電源，並且由於其通常相當低的能耗，本地能量收集解決方案是合適的選擇。除了熱電和振動收集器外，光伏（PV）是室內物聯網設備供電的一種有前途的方式，因為在工業環境中通常可以使用昏暗的光源。
由於室內照明在光譜分布和強度方面與「1 太陽」（空氣質量 1.5 全局，AM1.5G）照明有很大不同，因此兩種類型的照明對吸收材料的要求差異很大。基於Shockley-Queisser模型的半導體實現最大效率的最佳帶隙取決於輸入照明，並反映了（除其他因素外）非吸收和熱化損耗之間的權衡。
對於AM1.5G，最佳帶隙約為1.1 eV，這就是為什麼晶體硅非常適合這些條件的原因。相比之下，例如，典型的冷白光（cw）發光二極體（LED）光譜在500勒克斯（大致相當於1.4 W m）−2） 轉換為大約 1.8 eV 的明顯更大的值。這遠遠超出了晶體硅的帶隙。因此，考慮了其他技術，例如III-V化合物系統，非晶硅，鈣鈦礦和有機半導體材料。
但III-V系統相當昂貴，因此主要用於空間應用。有機半導體吸收材料不僅可以定製以匹配該特定應用的最佳帶隙，而且它們無毒，並且可以由無鹵溶劑加工。由於材料量少，生產能源需求極低，有機太陽能電池是碳足跡最低的光伏技術。所有這些強烈推動了對室內應用有機太陽能電池的研究。此外，「溫和」的條件，即低光子劑量，無紫外線輻射，以及相當恆定的中等溫度確實使有機PV（OPV）的潛在穩定性問題變得不那麼重要。
然而，到目前為止，還沒有發表的研究同時處理不同的子主題，即適用於室內光捕獲的材料分析，在ITO架構中用無鹵溶劑塗層，以製造OPV模塊。在這項工作中，我們提出了一種無ITO細胞組，該電池組由我們小組先前發表的內容進一步發展。、
將證明它適用於OPV中使用的各種最先進的有機半導體。此外，使用這種電池組，不需要最後的真空沉積步驟，因為頂部電極由高導電性PEDOT：PSS作為空穴傳輸層（HTL）組成，然後是可絲網印刷的銀網格，因此與卷對卷加工兼容。在室內光強度低的特殊情況下，可以完全避免印刷網格，從而進一步降低成本。
從 ITO 轉移到無 ITO 架構
OPV的經典架構是引腳超強配置：ITO/HTL/有源層/ETL/金屬，通常稱為標準架構，ETL表示電子傳輸層。此外，通常稱為具有倒置層沉積序列的倒置結構ITO/ETL/有源層/HTL/金屬是一種壓區超結構，旨在通過用作頂部接觸的高功函數材料實現更好的穩定性。
在這項工作中，我們表明標準電池組和倒置電池組都可以轉移到我們的無ITO架構中，底部電極基於鋁夾在兩層摻鋁氧化鋅（AZO）之間，並將PEDOT：PSS和Ag網格組合為頂部觸點。圖顯示了三個電池組的示意圖。如前所述，在低光照明的情況下，不需要銀色網格，因為HTL的導電性足夠大。因此，我們所有用於室內照明的無ITO設備都不包括銀色網格。
有機太陽能電池的性能不僅取決於材料/中間膜對能級的適當選擇，還取決於沉積順序。對於許多新開發的活性材料，標準架構仍然是最主要的電池組。為了將其轉移到我們的無ITO架構中，我們必須反轉層沉積順序，這通常伴隨著多個加工參數的調整。這包括對基材和活性材料進行特殊處理，以確保適當的潤濕和良好的形態。
在將基於反轉 ITO 的架構轉移到我們的無 ITO 架構時，無需翻轉層序列。前者在大多數情況下確實包括MoO的組合x和（蒸發）Ag分別作為HTL和空穴接觸。現在必須將其替換為PEDOT：PSS作為HTL。然而，對於某些（新型）吸收材料，PEDOT：PSS的功函數相對於供體的最高佔據分子軌道（HOMO）太高。這導致選擇性降低，從而增加該界面處的表面複合，最終導致V損失超頻和填充因子 （FF）。
為了克服這種損失，使用了改進的PEDOT：PSS配方（來自Raynergy Tek的PV-HTL-5），其功函數降低（朝向更多的負值），從而最大限度地減少了由於表面複合引起的損失，從而產生更高的V超頻和FF。圖顯示了與Ref.非常一致的結果，從而強調了具有調整功函數的求解可處理HTL的必要性。需要注意的是，J的變化南卡羅來納州可以用略有不同的吸收層厚度以及兩種不同不透明電極（即Ag和Al）的不同反射來解釋。
我們測試了各種市售活性材料。使用的溶劑包括鹵化溶劑和非鹵化溶劑。表1比較了在500勒克斯cw LED下測量的八種不同活性材料的ITO和無ITO太陽能電池的性能。出於以下原因，我們決定只比較在我們自己的實驗室中獲得的ITO和無ITO性能值。室內光伏是一個相當新的領域，長期以來尚未給出室外光伏（例如AM1.5G）建立的標準測試條件。研究界已經同意正確確定強度和有用的支持信息，以便能夠鑒定不同組的測量結果。然而，使用了許多不同的燈類型，如果沒有正確定義的光譜不匹配，直接比較不同組的絕對值是沒有意義的。
對於吸收材料TPD-3F：IT-4F和PM6：IO-4Cl，ITO和ITO無層堆疊在性能上幾乎沒有差異。基於ITO的參考架構，用於第一種吸收材料，是倒置的，而後者是標準材料。
對於BTR：PCBM71系統，我們在 ITO 和無 ITO 架構上看到了可比的結果，在無 ITO 堆棧上略有改進。這種改進尤其顯著，因為即使在活性層從氯化溶劑過渡到非氯化溶劑之後，我們也能夠獲得它。
對於由氯仿（CF）旋塗的PM6：Y6，我們發現ITO和無ITO結構之間的效率存在很大差異。必須提到的是，我們這項工作的主要重點是專門為室內光捕獲設計的活性材料（即EQE起始波長約為700nm），PM6：Y6共混處理的優化方式與其他材料不同。然而，有趣的是，儘管PM6：Y6是轉換EQE起始波長約為900nm的太陽光的非常好的候選者，但它表現出與其他專門為人工光捕獲設計的活性材料相似的性能（在ITO上）（例如，BTR，[6]PM6：IO-4Cl[7]).
對於PM6：DTY6，PM6：Y6的對應物，具有良好的鄰二甲苯塗層性能，在12勒克斯下實現了3.500%的不錯性能。然而，在無ITO器件的情況下，我們無法製造不受並聯電阻嚴格限制的樣品（RP），因此無法進行適當的比較，並且表中未顯示數據。
這些結果表明，兩種基於ITO的電池組都可以成功地轉移到我們的無ITO架構中，用於各種吸收材料。
並聯電阻對低強度性能的影響
高並聯電阻（RP）在低強度照明下良好的太陽能電池性能已經在其他地方討論過。不同組陳述了不同的絕對值，他們計算了比率J黑暗/JSC，AM1.5G，應等於 P低光/PAM1.5G，與 J黑暗表示暗電流密度，P表示入射輻射功率。這將導致限制 RP值取決於 J，對於不同的吸收材料，這通常是不同的。因此，他們表示 RP對於確定太陽能電池的低光性能是否受其限制意義不大。然而，我們發現我們的實驗數據和基於單二極體模型的計算之間非常吻合，。模擬曲線（實線）基於肖克利-奎瑟模型，帶隙為1.78 eV，最適合500勒克斯室內頻譜，並增加了平行電阻。可以看出，對於「1個太陽」照明，RP> 2000 Ω cm2足以確保沒有明顯的損失，並且對於RP= 100 Ω 厘米2觀察到大約 50% 的性能損失。
在強烈的對比度下，對於 500 勒克斯的 LED 趙明，R 非常高P至少 106Ω 厘米2需要使損失可以忽略不計，並且對於 RP= 2 × 104Ω 厘米2性能降低約50%。實驗數據的絕對值當然要低得多，但並聯電阻的影響與模擬數據非常吻合。對於實驗數據，我們提取了RP從0 V附近暗電流-電壓特性的反斜率開始。 請注意，由於暗電流（理想情況下）非常小，因此已經很小的（絕對）波動會導致計算的R存在很大差異P值。因此，該電壓範圍內的數據點數量以及每個測量數據點的積分時間將影響計算值。然而，在大多數情況下，確定性能是否由於並聯電阻或其他因素而受到強烈限制是一個很好的衡量標準。
一個大 RP對於較大的電池和模塊，整個設備區域尤其重要。在較大的區域，局部分流的可能性增加。在模塊級別，（部分）分流單元將降低器件的FF和電壓，而不會在暗電流中顯示明顯的斜率。對於模塊製造，分流控制必須通過發光完成或熱成像。圖顯示了一批0種基板的數據，具有相似的1.<> cm2太陽能電池，因此它代表了該區域的隨機空間探測，因為每個基板的尺寸為2.5×2.5厘米2並包含六個單獨的太陽能電池。
儘管這些單元格中的大多數顯示出不錯的RP在模塊級別，它可能會導致重大損失。對於低R的起源P值，存在幾種解釋。最近一項關於鈣鈦礦太陽能電池的研究試圖區分僅在吸收層中的針孔（ETL：HTL 接觸，導致「指數」分流，0 V 附近的平坦 JV 曲線，但 FF 降低）和通過 ETL、HTL 和吸收層的針孔導致高導電頂部和底部電極接觸，從而形成典型的歐姆分流。對於無分流器件來說，封閉的吸收層至關重要，這需要下面有平滑的ETL或HTL。封閉的吸收膜還取決於其他因素，例如表面張力以下層的潤濕性，這可以通過表面處理（例如溶劑洗滌）或活性材料的側鏈改性來改變，當然還有表面上任何不需要的（灰塵）顆粒。
在圖中，強度相關V超頻不同 0.1 cm 的測量值2如圖所示，ITO電極上基於D18：Y6的太陽能電池與單二極體方程一起繪製，其並具有前面解釋的從暗電流獲得的並聯電阻。
我們使用了忽略串聯電阻的單二極體方程（公式1）。J0， n編號， kB，T、q、V和J分別表示暗飽和電流密度、理想因子、玻爾茲曼常數、溫度、電子電荷、電壓和電流密度。在 V 下超頻條件 （J = 0），方程 （1） 可以解析求解 V超頻如公式 2 所示，W 表示產品日誌函數。理想因子 n編號從強度相關 V 的斜率中提取超頻1個太陽周圍的數據，尚未受到R的影響P.J0得到暗色合資企業曲線。五是超頻根據目前的重組機制（n編號）的光強度降低。
在某些時候，這種對數趨勢變成了 RP-以電壓降低為主。正如預期的那樣，過渡區域其中 RP主導向較低光強度的偏移以獲得較大的RP值。計算出的 V超頻公式（2）中的值很好地再現了實驗數據。由此，我們得出結論，簡單的單二極體模型足夠精確，可以確定並聯電阻的值，而與其實際物理來源無關。
結論
在這項工作中，我們提出了一種無ITO的太陽能電池組，該電池組被證明非常適合室內OPV。在500勒克斯下使用連續LED測量的電池組效率與在傳統ITO架構上實現的效率相當，測試了各種新型吸收材料。詳細評估了並聯電阻對低強度照明性能的影響。它確認了在室內照明下對大面積設備和模塊的無缺陷（分流）吸收層的要求。我們還展示了 RP從暗 JV 曲線中提取的數據與基於強度的開路電壓測量獲得的結果非常吻合。以鄰二甲苯為溶劑的PV-X plus作為吸收材料，實現了電池水平上最高的室內效率，為19.3%。此外，我們成功地從小的0.1厘米放大2實驗室細胞通過旋塗朝 8.1 cm2模塊具有八個通過槽晶元塗層製造的串聯單元，同時在 17 lux 下將轉換效率保持在 500% 的高水平。這些模塊的總功率約為 200 μW，電壓約為 5 V，適用於許多低功耗物聯網應用，即使在 50 lux 下，效率仍大於 13%。
參考文獻：
1S. Al-Sarawi、M. Anbar、R. Abdullah、A. B. Al Hawari，2020 年第四屆系統、安全和可持續性智能趨勢世界大會 （WorldS4），IEEE，英國倫敦，2020 年，第 449 頁。
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3W. Shockley， H. J. Queisser， J. Appl. Phys. 1961， 32， 510.
