基于光子晶体的彩色、全色半透明聚合物太阳能电池的研究

Semitransparent polymer solar cells have drawn extensive interests due to their significant potential in indoor lighting, architectural decoration, and energy generation. However, there is a conflict between the transmission and efficiency. To solve this problem and improve the device’s capabilities for tunable color and color-rendering index, one-dimensional photonic crystals (ODPCs), which can modulate the incident light in a certain wavelength range, will be introduced to match with the absorption spectrum of active layer in this study. The photonic band-gap can be tuned by changing the thickness and refractive index difference of ODPCs’ elemental films. And the photonic band-gap can be enlarged by stacking the ODPCs with different center wavelength to meet the diversified requirements of colorful semitransparent polymer solar cells. By this method, full-color or high color-rendering index semitransparent polymer solar cells could be achieved.

半透明聚合物太阳能电池因其在采光、装饰、发电等方面的显著优势受到人们的广泛关注。为了有效解决半透明聚合物太阳能电池在高效率与高透射率之间的矛盾、提高彩色半透明电池的颜色可调谐性及全色半透明电池的显色性指标，本项目拟利用一维光子晶体对特定范围的光具有调控能力的特点，设计与有源层吸收光谱匹配或互补的一维光子晶体，通过对光子晶体基元材料高、低折射率和膜厚的合理设计，实现对光子禁带的有效调制；通过叠加具有不同中心波长的一维光子晶体，加宽光子禁带，进而满足彩色半透明电池色彩多样化的需求，得到具有超高显色指数的全色半透明电池，在高效、高透过率彩色半透明电池和高显色指数半透明电池的研究上取得一系列创新和突破。

随着科技进步和人们生活水平提高，光伏建筑一体化已然成为一种新的发展趋势。将半透明太阳能光伏电池做成建筑材料，让建筑物的外墙、屋顶成为发电源，既能保证阳光穿过电池板进入室内采光，又能满足用电需求，具有重要的应用价值，有望对经济的发展和社会的进步起到巨大的促进作用。. 本项目提出设计并研究基于一维光子晶体的半透明聚合物太阳能电池。通过选择具有不同高、低折射率的基元材料和对结构参数的调节，实现对一维光子晶体光学性能的调控，并将其应用在半透明电池上。对于彩色半透明聚合物太阳能电池，设计光子禁带中心波长与有源层吸收峰相匹配的光子晶体，将有源层能吸收的光反射回电池中，实现有源层吸收光的高效利用，同时让其余波长的光高效地透射出去。通过对光子晶体反射和透射范围的控制，实现可调谐的彩色显色。对于全色半透明聚合物太阳能电池，设计具有适当周期数的一维光子晶体，使其高反射区域与有源层吸光区域互补，确保有源层吸收较弱区域的光透射率与有源层吸光区域的光透过率达到均衡。此外，通过提高基元材料高、低折射率比值及叠加具有不同中心波长的一维光子晶体，扩大一维光子晶体的光反射范围，从而在提升光电转换效率的同时实现高显色指数全色半透明聚合物太阳能电池。. 通过项目的实施，设计制备了多种具有不同中心波长的一维光子晶体，并对其光谱特性研究。在此基础上，研制出基于一维光子晶体的半透明聚合物太阳能电池器件。在强度为 100mW/cm2的 AM1.5G标准太阳光照下，器件能量转化效率达到9.8%；彩色及全色半透明电池在可见光范围内平均透射率大于30%；对于全色一维光子晶体半透明电池，显色指数达到95。项目执行过程中，申请发明专利 13项，其中8项获得授权；发表高水平论文 35 篇，培养博士研究生6人，硕士研究生4人。截至项目结题，全部超额完成计划书规定的任务指标。