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2022 Adv. Funct. Mater.:铰链—剪纸有机太阳能电池结构实现器件应力,20,000 次循环拉伸测试效率无损

Printed Kirigami Organic Photovoltaics for Efficient Solar Tracking

第一作者:李亚星/邓巍巍课题组

本文亮点

  1. 提出了一种铰链—剪纸有机太阳能电池结构,将产生屈曲变形的微铰链与无应变的器 件区分离,在单轴拉伸载荷下由微铰链带动器件区发生转向,应力集中在微铰链处,而光伏 器件区的应力几乎为零。
  2. 在带有剪纸结构的柔性基底上实现了全雾化打印的有机太阳能电池,制备了大面积有 机太阳能电池模组,表现出优异的光电转换效率和光耦合效率,以及抗疲劳性能。

研究动机

  发展可持续能源是实现我国生态文明建设的重要途径,光伏电池作为可持续能源的重要组成部分,其光电转换效率在实际应用中受太阳入射角度影响较大,发展有效、可靠和低成本的光追踪机构可以有效地保持光的正向入射,最大化光伏能量输出。

本文所用仪器

  • 太阳光模拟器

  • QE-R 设备

研究成果说明

  H-kirigami 由微铰链 (hinge),拉伸杆 (beam) 和器件区 (device region)组成,三部分承担不同角色。在拉伸杆受单轴拉伸力时微铰链发生面外屈曲形变,带动器件区转动,实现光伏电池的光追踪。转动的角度与 H-kirigami 的特征长度 λ ̃=l/x 唯一相关。通过改变器件区的形状或微铰链的数目,我们可以灵活得到不同的剪纸结构设计。矩形的几何填充因子較高,更适合应用于光伏器件。圆形或其他形状适合应用于需要高透光要求的场合,如建筑装饰,产品设计等。

剪纸结构设计

Fig. 1 剪纸结构设计(a)剪纸结构特征参数;(b)多种剪纸结构设计方案。

  有限元计算为我们展示了 H-kirigami 在拉伸状态下不同区域的应力分布状态:应力只集中在微铰链区,而器件区无可见应力分布,这保证了器件部分的极佳的力学稳定性,通过测试 20 000 的循环拉伸后,器件效率仍保持不变。随着H-kirigami的特征长度 λ ̃ 的增大,器件的最大转向角增大,最大应力减小,在 λ ̃=10 的情况下,最大追踪角可以达到75°,考虑到建筑和山体遮挡,这已经满足了绝大部分应用场景的光追踪需求。

剪纸结构的力学与光追踪性能

Fig. 2 剪纸结构的力学与光追踪性能(a)不同特征长度剪纸结构在转向角30°时应力分布(b)应力与应变的曲线;(c)转向角与应变的曲线。

  剪纸结构的基底设计有周期性的切口,旋涂和狭缝涂布等方法在制膜过程液体会沿切口下渗,无法得到连续薄膜。因此,我们采用静电雾化的方法来制备功能层薄膜,静电雾化可以产生单分散,亚微米级别的液滴,适合非接触打印纳米级别的薄膜。制备的有机光伏电池结构为polycarbonate/PH1000/PEDOT:PSS4083/D18:Y6/PNDIT-F3N/Ag,光电转换效率效率达到14.15%。测试了变光源角下光伏电池的光电转换效率来评判光追踪性能。对 λ ̃=10 的H-kirigami有机光伏电池,光源角在0°~75°之间效率始终保持不变,光源角在75°~90°时光电转换效率保持91%以上,最终了实现接近100%的光追踪效果。

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通讯作者简介

  赵新彦现任南方科技大学前沿与交叉科学研究院研究助理教授。加入南科大前任南京工业大学先进材料研究院副教授,南京邮电大学光电工程学院副教授。曾在新加坡国立大学电子与计算机工程学院,以及新加坡材料工程研究院担任访问学者。她于南京邮电大学获得博士学位,师从黄维院士。目前主持国家自然科学基金面上项目和青年项目各一项。主要研究:打印制备有机及钙钛矿半导体薄膜与光电器件;柔性及剪纸结构可拉伸光电器件的制备和机理。

  邓巍巍,长江学者,南方科技大学力航系教授。加入南科大前任美国弗吉尼亚理工大学(Virginia Tech)机械工程系终身职副教授(tenured associate professor) 。研究方向是微小尺度实验流体力学,激光与射流和液滴的作用,微小液滴及气溶胶的产生和应用。主持国家自然科学基金专项项目(2020)、重点项目(2019)和面上项目(2018)各一项,某国防重大专项子课题一项。回国前主持美国自然科学基金三项。于2015年获得美国自然科学基金NSF CAREER Award。他指导的学生创业团队依托自主专利技术获得美国能源部主办的首届清洁能源创业大赛一等奖,东南赛区第一名。团队获得10万美元创业资金,并受邀访问白宫。发表六十篇学术论文和专著,包括两篇Physical Review Letters《物理评论快报》封面文章。

本文关键词:剪纸有机太阳能电池结构、Printed Kirigami Organic Photovoltaics、光追踪、Solar Tracking、量子效率、Quantum Efficiency、太阳光模拟器、Solar Simulator

原文:https://doi.org/10.1002/adfm.202204004

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