Exploring the Potential of Ternary Blending for Two and Three-Junction RAINBOW Solar Cells

Deze studie toont aan dat de schaalbare RAINBOW-spectrale splitsingsarchitectuur, die ternair gemengde subcellen gebruikt om bandgaten te optimaliseren en fabricage-uitdagingen te minimaliseren, de efficiëntie van organische fotovoltaïsche cellen kan verhogen van 12,9% bij enkelvoudige juncties naar 17,3% bij configuraties met drie juncties, waarmee de levensvatbaarheid ervan voor hoogpresterende, maakbare zonnecellen wordt bevestigd.

De kern

Stel je voor dat je regenwater probeert op te vangen met één enkele, brede emmer. Als de regen licht is, vang je een beetje op. Bij een zware stortbui loopt je emmer over en verlies je het overtollige water. Dit is precies hoe traditionele zonnecellen vandaag de dag werken: ze zijn gemaakt van één materiaal dat alleen fotonen (lichtdeeltjes) van een specifieke energie kan "vangen". Als het licht te zwak is, negeert het materiaal het. Als het licht te sterk is, vangt het materiaal het wel, maar verspilt het de extra energie als warmte.

De onderzoekers in dit artikel proberen een beter "regenopvangsysteem" te bouwen met een slim nieuw ontwerp dat RAINBOW heet.

Het probleem met de oude methode (stapelen)

Meestal stapelen wetenschappers verschillende zonnecellen bovenop elkaar, als een sandwich, om meer soorten licht op te vangen. De bovenste laag vangt helder, hoog-energetisch licht op en laat de rest door naar de onderste laag. Maar dit is lastig te bouwen. Het is alsof je probeert delicate pannenkoeken perfect op elkaar te stapelen; als ze niet precies goed uitgelijnd zijn, stort het hele geheel in of stopt het met werken. Bovendien moeten de lagen precies overeenkomen in hoeveel elektriciteit ze produceren, wat een hoofdpijndossier is voor fabrikanten.

Het nieuwe idee: de RAINBOW-aanpak

In plaats van de cellen verticaal te stapelen, legden de onderzoekers ze naast elkaar, zoals tegels op de vloer. Ze gebruiken een speciale optische spiegel (het "optische element") om het zonlicht te splitsen als een prisma, waardoor verschillende kleuren licht naar verschillende tegels worden gestuurd.

• Blauw licht gaat naar de "Blauwe Tegels".
• Groen licht gaat naar de "Groene Tegels".
• Rood licht gaat naar de "Rode Tegels".

Omdat ze naast elkaar liggen, hoeven ze niet perfect gestapeld te zijn en hoeven ze hun elektrische output niet exact te laten overeenkomen. Dit maakt ze veel gemakkelijker te vervaardigen met grote, schaalbare hulpmiddelen zoals een rakel (een proces dat bladcoating heet).

Het ontbrekende stukje: de "ternaire" mengsel

Het team ontdekte dat terwijl de "Blauwe" en "Groene" tegels goed werkten, de "Rode Tegels" (die het licht met de laagste energie, verre infrarood, opvangen) het moeilijk hadden. Het was alsof er een gat in de bodem van een emmer zat; het kon het water wel opvangen, maar het lekte veel energie weg.

Om dit op te lossen, gebruikten ze niet gewoon één materiaal voor de Rode Tegels. Ze creëerden een Ternaire Mengsel.
Stel je een binaire mix voor als een smoothie van slechts twee soorten fruit (Donor en Acceptor). Een ternaire mix voegt een derde fruitsoort toe.

• Ze namen hun problematische Rode materiaal en mengden er een derde ingrediënt doorheen.
• Dit derde ingrediënt fungeerde als een "brug" of "hulpje". Het hielp de elektriciteit beter te laten stromen en stopte de energielekken.
• Specifiek mengden ze een materiaal genaamd COTIC-4F (de hoofdvanger) met BTP-eC9 (de helper).

Deze nieuwe drie-onderdelen-mix ving niet alleen hetzelfde hoeveelheid licht op, maar deed dit efficiënter, waardoor meer van dat licht werd omgezet in elektriciteit.

De resultaten: een betere vangst

Het team testte dit idee op twee manieren:

1. Computersimulaties: Ze modelleerden wat er zou gebeuren als ze deze tegels combineerden. Ze ontdekten dat een 2-junctie-systeem (Blauw + Rood) een rendement van 16,4% kon bereiken, en een 3-junctie-systeem (Blauw + Groen + Rood) kon uitkomen op 17,7%.
2. Realiteitstests: Ze bouwden deze naast elkaar geplaatste apparaten daadwerkelijk met hun bladcoating-methode. De resultaten kwamen zeer dicht in de buurt van de simulaties:
   • 2-junctie-apparaat: 15,9% rendement.
   • 3-junctie-apparaat: 17,3% rendement.

Dit is een grote sprong vooruit ten opzichte van hun apparaten met één materiaal, die slechts ongeveer 12,9% haalden.

De toekomstige vooruitzichten

Het artikel concludeert dat dit "RAINBOW"-ontwerp een veelbelovende, schaalbare manier is om organische zonnecellen efficiënter te maken. Ze merken echter één laatste hindernis op: om het rendement nog verder te verhogen, moeten ze materialen vinden die echt goed zijn in het vangen van het zeer hoog-energetische (brede bandgap) blauwe licht. Op dit moment zijn die materialen nog niet helemaal zo goed als de rode en groene varianten.

Kortom: Door zonnecellen naast elkaar te leggen in plaats van ze te stapelen, en door een "derde ingrediënt" toe te voegen aan het materiaal dat rood licht opvangt om de lekken te dichten, creëerde het team een zonnecelontwerp dat makkelijker te maken is en aanzienlijk meer energie uit de zon haalt.

Technische samenvatting

Technische Samenvatting: Het Potentieel van Ternaire Blending voor Twee- en Drie-Junctie RAINBOW Zonnecellen

Probleemstelling
Organische fotovoltaïsche cellen (OPV) hebben recentelijk de 20% rendement in enkeljunctie-apparaten overtroffen, maar ze blijven fundamenteel beperkt door de spectrale mismatch tussen het invallende zonnespectrum en de bandkloof van het fotoactieve materiaal. Hoewel multijunctie-architecturen (tandems) een weg bieden naar hogere rendementen door thermalisatie- en absorptieverliezen te verminderen, staan verticaal gestapelde configuraties voor aanzienlijke fabricagehindernissen, waaronder stroommatchingbeperkingen, complexe verbindingslagen en schaalbaarheidsproblemen. De "RAINBOW"-architectuur biedt een oplossing door subcellen naast elkaar te plaatsen en extern te verbinden, met gebruikmaking van optische elementen om het invallende licht lateraal te splitsen. De prestaties van RAINBOW-apparaten worden echter momenteel beperkt door de beschikbaarheid van uiterst efficiënte materialen over het volledige bandkloofspectrum, met name voor smalle-bandkloof (NBG, <1,3 eV) en brede-bandkloof (WBG, >1,7 eV) regimes. Bovendien lijden bestaande NBG-systemen, zoals PTB7-Th:COTIC-4F, vaak aan een lage open-klemspanning ($V_{oc}$) en inefficiënte ladingsextractie, wat hun bruikbaarheid als rode subcellen beperkt.

Methodologie
De studie hanteert een veelzijdige aanpak die material screening, optimalisatie van ternaire mengsels, apparaatsimulatie en schaalbare fabricage combineert:

1. Material Screening en Optimalisatie van Ternaire Mengsels: De auteurs evalueerden zeven binaire donor-acceptor-systemen met bandkloven variërend van 1,98 eV tot 1,16 eV. Gezien de beperkingen van het binaire NBG-systeem PTB7-Th:COTIC-4F, onderzochten zij ternaire mengsels door een derde component (een tweede acceptor of een fullerenderivaat) op te nemen om $V_{oc}$ te regelen en ladingsvervoer te verbeteren. Vijf specifieke ternaire systemen werden getest, met een focus op het PTB7-Th:COTIC-4F:BTP-eC9-systeem.
2. Karakterisering: Apparaten werden gefabriceerd met behulp van high-throughput mesglijden met diktegradiënten om optimale diktes van de actieve laag te bepalen. Uitgebreide karakterisering omvatte stroom-spanningsmetingen (JV) onder AM1.5G, profilering van de externe kwantumefficiëntie (EQE), en synchrotron-gebaseerde Grazing Incidence Wide Angle X-ray Scattering (GIWAXS) om microstructuur en kristalliniteit te analyseren.
3. Simulatie: Semi-experimentele simulaties werden uitgevoerd om 2-junctie en 3-junctie RAINBOW-configuraties te modelleren. Deze modellen maakten gebruik van experimentele JV-parameters en EQE-curves om partiële stromen en rendementen te berekenen voor verschillende spectrale splitsingsgolflengten ($\lambda_{div}$).
4. Fabricage van Conceptbewijs: Monolithische RAINBOW-apparaten werden gefabriceerd met schaalbare mesgeleide glijden, waarbij tot zes verschillende actieve materialen naast elkaar op een enkel substraat werden afgezet. Deze apparaten werden gekarakteriseerd onder aangepaste deelspectra gegenereerd door een programmeerbare LED-zonnesimulator om de RAINBOW-bedrijfsomstandigheden na te bootsen.
5. Theoretische Analyse: Een gewijzigde gedetailleerde balanslimiet werd berekend om rekening te houden met intrinsieke niet-stralende verliezen in organische halfgeleiders, specifiek reorganisatie-energie, om het theoretische plafond voor deze geometrie te schatten.

Belangrijkste Bijdragen en Resultaten

• Ternaire Blending voor NBG-subcellen: De studie toont aan dat ternaire blending een effectieve strategie is om de beperkingen van binaire NBG-systemen te overwinnen. Specifiek verbeterde het ternaire mengsel PTB7-Th:COTIC-4F:BTP-eC9 (geoptimaliseerd in een verhouding van 1:0,6:0,9) de prestaties van de rode subcel aanzienlijk. Waar het binaire PTB7-Th:COTIC-4F slechts een rendement van 6,62% bereikte met een lage $V_{oc}$ van 0,54 V, bereikte het ternaire mengsel een rendement van 8,71% met een verhoogde $V_{oc}$ van 0,60 V. Cruciaal behield het ternaire mengsel de uitgebreide NIR-absorptie (tot 1100 nm) terwijl het de ladingsextractie-efficiëntie verbeterde, zoals blijkt uit hogere EQE-waarden in het gedeelde absorptiegebied. GIWAXS-analyse onthulde dat hoewel de microstructuur werd gedomineerd door COTIC-4F, de energieniveau-uitlijning in het ternaire systeem een cascade-elektronenoverdracht van COTIC-4F naar BTP-eC9 faciliteerde, wat recombinatieverliezen verminderde.
• Simulatie van Multijunctie-configuraties: Simulaties identificeerden dat de hoogste theoretische rendementen voor RAINBOW-apparaten afhankelijk zijn van de opname van deze geoptimaliseerde ternaire mengsels.
  • 2-Junctie: De optimale configuratie (PTQ10:FCC-Cl als blauwe cel en het ternaire PTB7-Th:COTIC-4F:BTP-eC9 als rode cel) bereikte een gesimuleerd Power Conversion Efficiency (PCE) van 16,4%, een aanzienlijke stijging ten opzichte van de beste enkeljunctie-cel (12,9%) en de op binary gebaseerde RAINBOW (15,2%).
  • 3-Junctie: Het toevoegen van een groene subcel (PM6:DTY6) aan de optimale 2-junctiestapel leverde een gesimuleerd PCE van 17,7% op.
• Experimentele Validatie: Proof-of-concept RAINBOW-apparaten gefabriceerd via glijden valideerden de simulaties.
  • Het 2-junctie-apparaat bereikte een experimenteel PCE van 15,9% (tegenover 15,1% voor het binary-gebaseerde equivalent).
  • Het 3-junctie-apparaat bereikte een experimenteel PCE van 17,3% (tegenover 17,0% voor het binary-gebaseerde equivalent).
  • Deze resultaten bevestigen de levensvatbaarheid van de naast elkaar plaatsingsmethode en de effectiviteit van ternaire mengsels in het verbeteren van multijunctie-prestaties.
• Theoretische Grenzen: De auteurs stellen een herziene gedetailleerde balanslimiet voor OPV voor die niet-stralende verliezen integreert. Dit model suggereert dat het maximale theoretische rendement voor enkeljunctie-OPV ongeveer 27% is bij een bandkloof van 1,5 eV (lager dan de standaard Shockley-Queisser-limiet van 33%). Voor multijunctie RAINBOW-apparaten geeft het model aan dat rendementen verder omhoog kunnen worden geduwd, mits er uiterst efficiënte WBG-materialen (>2 eV) worden ontwikkeld met verbeterde stroom en vullingsfactoren.

Betekenis
Het artikel vestigt de RAINBOW-architectuur als een levensvatbaar, schaalbaar alternatief voor verticaal gestapelde tandems voor hoogrendement OPV. Door aan te tonen dat ternaire blending de $V_{oc}$ en ladingsvervoerseigenschappen van smalle-bandkloofmaterialen effectief kan regelen zonder in te leveren op spectrale dekking, biedt de studie een concrete weg om huidige knelpunten in multijunctie-OPV-ontwerp te overwinnen. De succesvolle fabricage van 3-junctie-apparaten met rendementen die dicht bij 17,3% liggen, met gebruik van schaalbare glijdmethoden, benadrukt het potentieel voor industriële toepassing. Bovendien onderstreept het werk dat toekomstige winsten in deze geometrie afhankelijk zijn van de ontwikkeling van hoogpresterende brede-bandkloofmaterialen, waardoor de focus van materiaalonderzoek verschuift naar het >2 eV-regime om het volledige potentieel van het RAINBOW-concept te verwezenlijken.