同時,假定填充因子FF恒定為0.75。
經過計算,得到在不同子電池能量損失下,光電轉換效率隨外量子效率和頂電池的光吸收邊變化的曲面圖像。
因為能量損失有五個檔次,所以對應的三維立體坐標系中就有五個曲面。
許秋為了表述直觀,還給五個曲面染了色,從藍到紅分別表示光電轉換效率逐漸增大。
這張圖片看起來比較高端,但其實背后的計算過程并不復雜。
頂電池的光吸收邊,可以通過公式換算出有效層材料的禁帶寬度,禁帶寬度再減去假定的能量損失,就得到了開路電壓。
禁帶寬度已知,外量子效率已知,可以通過積分計算得到短路電流密度。
最后,填充因子是給定的0.75。
三者相乘,就得到了最終的光電轉換效率。
理論預測的結果還是比較美好的。
在光吸收邊為1100納米,外量子效率75%,填充因子0.75,能量損失0.6電子伏特的條件下,有機光伏疊層器件的效率可以達到20%!
20%!
然而,理想很豐滿,現實有點短。
現實的情況是,每個值都比理想情況下差5%左右。
比如,光吸收邊實際上只有1000納米,外量子效率只有70%,填充因子只有0.70,能量損失是0.65電子伏特。
從而導致,現實里的結果差不多就是而現在都還做不到16.3%呢。
不過經過許秋團隊的努力,已經非常的接近這個數值了。
剩下的B、C、D三張圖片,就是把三維坐標系之下立體的A圖,變為二維坐標下的平面圖。
也就是分別固定外量子效率、頂電池的光吸收邊,以及每個子電池的能量損失,三個變量其中的一個,考察光電轉換效率隨另外兩個變量變化的二維圖譜。
其中,光電轉換效率同樣通過之前的藍紅顏色進行表示,并繪制出等效率線。
值得注意的是,在這些半經驗分析圖片中,許秋都把填充因子恒定為0.75。
一方面,是因為填充因子相對比較特殊。
它雖然是變量,但影響它的因素非常多,不是很好優化和界定,不像短路電流密度和開路電壓,可以認為直接和材料禁帶寬度相關。
理論上講,填充因子主要受到太陽能電池器件本身的影響,最終得到的器件串聯電阻越大,并聯電阻越小,填充因子就越小。
但實際上,不論是串聯電阻還是并聯電阻,都是在涂膜后才測試出來的,在涂膜前怎么讓這兩個數值隨心意而改變,是比較難以做到的。
換言之,器件填充因子的優化,幾乎是純粹的結果導向。
填充因子比較小的體系,用到的光電材料以及加工工藝,在發展的過程中會被自動淘汰,或者自動轉為冷門的領域。
比如,全聚合物有機光伏的N2200的體系,填充因子通常會比較低,甚至只有0.5、0.6左右,現在做這個領域的研究者就非常的少。
另一方面,也是因為在一個三維立體圖譜中,只能有三個自變量,如果再加上一個填充因子作為變量,就需要用到四維坐標系了。
四維坐標系,許秋就算想畫,也畫不出來。
況且,現在雖說是三個自變量、一個因變量,其實也是有限制的。
其中一個自變量“每個子電池的能量損失”并不是連續變化,而是以0.1電子伏特為間隔跳動變化的。