文|煮酒
图|煮酒
在我们快速发展的行业和社会中，互联机器和智能设备变得越来越重要。这些技术及其基础设施总结为物联网 （IoT）。物联网设备的数量呈指数级增长，预计到 12 年市场规模约为 000.2030 亿美元。
然而，早在 2020 年，物联网设备的数量就已计算出约 50 亿台，其中许多在室内使用。因此，能源需求的增加伴随着这种增长。为了给这些设备提供环保的电源，并且由于其通常相当低的能耗，本地能量收集解决方案是合适的选择。除了热电和振动收集器外，光伏（PV）是室内物联网设备供电的一种有前途的方式，因为在工业环境中通常可以使用昏暗的光源。
由于室内照明在光谱分布和强度方面与“1 太阳”（空气质量 1.5 全局，AM1.5G）照明有很大不同，因此两种类型的照明对吸收材料的要求差异很大。基于Shockley-Queisser模型的半导体实现最大效率的最佳带隙取决于输入照明，并反映了（除其他因素外）非吸收和热化损耗之间的权衡。
对于AM1.5G，最佳带隙约为1.1 eV，这就是为什么晶体硅非常适合这些条件的原因。相比之下，例如，典型的冷白光（cw）发光二极管（LED）光谱在500勒克斯（大致相当于1.4 W m）−2） 转换为大约 1.8 eV 的明显更大的值。这远远超出了晶体硅的带隙。因此，考虑了其他技术，例如III-V化合物系统，非晶硅，钙钛矿和有机半导体材料。
但III-V系统相当昂贵，因此主要用于空间应用。有机半导体吸收材料不仅可以定制以匹配该特定应用的最佳带隙，而且它们无毒，并且可以由无卤溶剂加工。由于材料量少，生产能源需求极低，有机太阳能电池是碳足迹最低的光伏技术。所有这些强烈推动了对室内应用有机太阳能电池的研究。此外，“温和”的条件，即低光子剂量，无紫外线辐射，以及相当恒定的中等温度确实使有机PV（OPV）的潜在稳定性问题变得不那么重要。
然而，到目前为止，还没有发表的研究同时处理不同的子主题，即适用于室内光捕获的材料分析，在ITO架构中用无卤溶剂涂层，以制造OPV模块。在这项工作中，我们提出了一种无ITO细胞组，该电池组由我们小组先前发表的内容进一步发展。、
将证明它适用于OPV中使用的各种最先进的有机半导体。此外，使用这种电池组，不需要最后的真空沉积步骤，因为顶部电极由高导电性PEDOT：PSS作为空穴传输层（HTL）组成，然后是可丝网印刷的银网格，因此与卷对卷加工兼容。在室内光强度低的特殊情况下，可以完全避免印刷网格，从而进一步降低成本。
从 ITO 转移到无 ITO 架构
OPV的经典架构是引脚超强配置：ITO/HTL/有源层/ETL/金属，通常称为标准架构，ETL表示电子传输层。此外，通常称为具有倒置层沉积序列的倒置结构ITO/ETL/有源层/HTL/金属是一种压区超结构，旨在通过用作顶部接触的高功函数材料实现更好的稳定性。
在这项工作中，我们表明标准电池组和倒置电池组都可以转移到我们的无ITO架构中，底部电极基于铝夹在两层掺铝氧化锌（AZO）之间，并将PEDOT：PSS和Ag网格组合为顶部触点。图显示了三个电池组的示意图。如前所述，在低光照明的情况下，不需要银色网格，因为HTL的导电性足够大。因此，我们所有用于室内照明的无ITO设备都不包括银色网格。
有机太阳能电池的性能不仅取决于材料/中间膜对能级的适当选择，还取决于沉积顺序。对于许多新开发的活性材料，标准架构仍然是最主要的电池组。为了将其转移到我们的无ITO架构中，我们必须反转层沉积顺序，这通常伴随着多个加工参数的调整。这包括对基材和活性材料进行特殊处理，以确保适当的润湿和良好的形态。
在将基于反转 ITO 的架构转移到我们的无 ITO 架构时，无需翻转层序列。前者在大多数情况下确实包括MoO的组合x和（蒸发）Ag分别作为HTL和空穴接触。现在必须将其替换为PEDOT：PSS作为HTL。然而，对于某些（新型）吸收材料，PEDOT：PSS的功函数相对于供体的最高占据分子轨道（HOMO）太高。这导致选择性降低，从而增加该界面处的表面复合，最终导致V损失超频和填充因子 （FF）。
为了克服这种损失，使用了改进的PEDOT：PSS配方（来自Raynergy Tek的PV-HTL-5），其功函数降低（朝向更多的负值），从而最大限度地减少了由于表面复合引起的损失，从而产生更高的V超频和FF。图显示了与Ref.非常一致的结果，从而强调了具有调整功函数的求解可处理HTL的必要性。需要注意的是，J的变化南卡罗来纳州可以用略有不同的吸收层厚度以及两种不同不透明电极（即Ag和Al）的不同反射来解释。
我们测试了各种市售活性材料。使用的溶剂包括卤化溶剂和非卤化溶剂。表1比较了在500勒克斯cw LED下测量的八种不同活性材料的ITO和无ITO太阳能电池的性能。出于以下原因，我们决定只比较在我们自己的实验室中获得的ITO和无ITO性能值。室内光伏是一个相当新的领域，长期以来尚未给出室外光伏（例如AM1.5G）建立的标准测试条件。研究界已经同意正确确定强度和有用的支持信息，以便能够鉴定不同组的测量结果。然而，使用了许多不同的灯类型，如果没有正确定义的光谱不匹配，直接比较不同组的绝对值是没有意义的。
对于吸收材料TPD-3F：IT-4F和PM6：IO-4Cl，ITO和ITO无层堆叠在性能上几乎没有差异。基于ITO的参考架构，用于第一种吸收材料，是倒置的，而后者是标准材料。
对于BTR：PCBM71系统，我们在 ITO 和无 ITO 架构上看到了可比的结果，在无 ITO 堆栈上略有改进。这种改进尤其显着，因为即使在活性层从氯化溶剂过渡到非氯化溶剂之后，我们也能够获得它。
对于由氯仿（CF）旋涂的PM6：Y6，我们发现ITO和无ITO结构之间的效率存在很大差异。必须提到的是，我们这项工作的主要重点是专门为室内光捕获设计的活性材料（即EQE起始波长约为700nm），PM6：Y6共混处理的优化方式与其他材料不同。然而，有趣的是，尽管PM6：Y6是转换EQE起始波长约为900nm的太阳光的非常好的候选者，但它表现出与其他专门为人工光捕获设计的活性材料相似的性能（在ITO上）（例如，BTR，[6]PM6：IO-4Cl[7]).
对于PM6：DTY6，PM6：Y6的对应物，具有良好的邻二甲苯涂层性能，在12勒克斯下实现了3.500%的不错性能。然而，在无ITO器件的情况下，我们无法制造不受并联电阻严格限制的样品（RP），因此无法进行适当的比较，并且表中未显示数据。
这些结果表明，两种基于ITO的电池组都可以成功地转移到我们的无ITO架构中，用于各种吸收材料。
并联电阻对低强度性能的影响
高并联电阻（RP）在低强度照明下良好的太阳能电池性能已经在其他地方讨论过。不同组陈述了不同的绝对值，他们计算了比率J黑暗/JSC，AM1.5G，应等于 P低光/PAM1.5G，与 J黑暗表示暗电流密度，P表示入射辐射功率。这将导致限制 RP值取决于 J，对于不同的吸收材料，这通常是不同的。因此，他们表示 RP对于确定太阳能电池的低光性能是否受其限制意义不大。然而，我们发现我们的实验数据和基于单二极管模型的计算之间非常吻合，。模拟曲线（实线）基于肖克利-奎瑟模型，带隙为1.78 eV，最适合500勒克斯室内频谱，并增加了平行电阻。可以看出，对于“1个太阳”照明，RP> 2000 Ω cm2足以确保没有明显的损失，并且对于RP= 100 Ω 厘米2观察到大约 50% 的性能损失。
在强烈的对比度下，对于 500 勒克斯的 LED 赵明，R 非常高P至少 106Ω 厘米2需要使损失可以忽略不计，并且对于 RP= 2 × 104Ω 厘米2性能降低约50%。实验数据的绝对值当然要低得多，但并联电阻的影响与模拟数据非常吻合。对于实验数据，我们提取了RP从0 V附近暗电流-电压特性的反斜率开始。 请注意，由于暗电流（理想情况下）非常小，因此已经很小的（绝对）波动会导致计算的R存在很大差异P值。因此，该电压范围内的数据点数量以及每个测量数据点的积分时间将影响计算值。然而，在大多数情况下，确定性能是否由于并联电阻或其他因素而受到强烈限制是一个很好的衡量标准。
一个大 RP对于较大的电池和模块，整个设备区域尤其重要。在较大的区域，局部分流的可能性增加。在模块级别，（部分）分流单元将降低器件的FF和电压，而不会在暗电流中显示明显的斜率。对于模块制造，分流控制必须通过发光完成或热成像。图显示了一批0种基板的数据，具有相似的1.<> cm2太阳能电池，因此它代表了该区域的随机空间探测，因为每个基板的尺寸为2.5×2.5厘米2并包含六个单独的太阳能电池。
尽管这些单元格中的大多数显示出不错的RP在模块级别，它可能会导致重大损失。对于低R的起源P值，存在几种解释。最近一项关于钙钛矿太阳能电池的研究试图区分仅在吸收层中的针孔（ETL：HTL 接触，导致“指数”分流，0 V 附近的平坦 JV 曲线，但 FF 降低）和通过 ETL、HTL 和吸收层的针孔导致高导电顶部和底部电极接触，从而形成典型的欧姆分流。对于无分流器件来说，封闭的吸收层至关重要，这需要下面有平滑的ETL或HTL。封闭的吸收膜还取决于其他因素，例如表面张力以下层的润湿性，这可以通过表面处理（例如溶剂洗涤）或活性材料的侧链改性来改变，当然还有表面上任何不需要的（灰尘）颗粒。
在图中，强度相关V超频不同 0.1 cm 的测量值2如图所示，ITO电极上基于D18：Y6的太阳能电池与单二极管方程一起绘制，其并具有前面解释的从暗电流获得的并联电阻。
我们使用了忽略串联电阻的单二极管方程（公式1）。J0， n编号， kB，T、q、V和J分别表示暗饱和电流密度、理想因子、玻尔兹曼常数、温度、电子电荷、电压和电流密度。在 V 下超频条件 （J = 0），方程 （1） 可以解析求解 V超频如公式 2 所示，W 表示产品日志函数。理想因子 n编号从强度相关 V 的斜率中提取超频1个太阳周围的数据，尚未受到R的影响P.J0得到暗色合资企业曲线。五是超频根据目前的重组机制（n编号）的光强度降低。
在某些时候，这种对数趋势变成了 RP-以电压降低为主。正如预期的那样，过渡区域其中 RP主导向较低光强度的偏移以获得较大的RP值。计算出的 V超频公式（2）中的值很好地再现了实验数据。由此，我们得出结论，简单的单二极管模型足够精确，可以确定并联电阻的值，而与其实际物理来源无关。
结论
在这项工作中，我们提出了一种无ITO的太阳能电池组，该电池组被证明非常适合室内OPV。在500勒克斯下使用连续LED测量的电池组效率与在传统ITO架构上实现的效率相当，测试了各种新型吸收材料。详细评估了并联电阻对低强度照明性能的影响。它确认了在室内照明下对大面积设备和模块的无缺陷（分流）吸收层的要求。我们还展示了 RP从暗 JV 曲线中提取的数据与基于强度的开路电压测量获得的结果非常吻合。以邻二甲苯为溶剂的PV-X plus作为吸收材料，实现了电池水平上最高的室内效率，为19.3%。此外，我们成功地从小的0.1厘米放大2实验室细胞通过旋涂朝 8.1 cm2模块具有八个通过槽芯片涂层制造的串联单元，同时在 17 lux 下将转换效率保持在 500% 的高水平。这些模块的总功率约为 200 μW，电压约为 5 V，适用于许多低功耗物联网应用，即使在 50 lux 下，效率仍大于 13%。
参考文献：
1S. Al-Sarawi、M. Anbar、R. Abdullah、A. B. Al Hawari，2020 年第四届系统、安全和可持续性智能趋势世界大会 （WorldS4），IEEE，英国伦敦，2020 年，第 449 页。
2C. Perera， C. H. Liu， S. Jayawardena， M. Chen， IEEE Access 2014， 2， 1660.
3W. Shockley， H. J. Queisser， J. Appl. Phys. 1961， 32， 510.
