[论文解读] Network analysis of the performance of organic photovoltaic cells: The open circuit voltage and the zero current efficiency

Mario Einax, Abraham Nitzan|arXiv (Cornell University)|May 21, 2014

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics参考文献 74被引用 11

一句话总结

本文提出一种基于网络理论的框架，通过将动力学过程建模为具有环路的态网络，分析有机光伏（OPV）电池的开路电压和零电流效率极限。该框架量化了激子结合能和非辐射复合导致的效率损失，表明在实际参数下，理论最大效率为0.85，较300 K和6000 K光源温度下的卡诺极限0.95低10%。

ABSTRACT

Photovoltaic energy conversion in photovoltaic cells has been analyzed by the detailed balance approach or by thermodynamic arguments. Here we introduce a network representation to analyze the performance of such systems once a suitable kinetic model (represented by a master equation in the space of the different system states) has been constructed. Such network representation allows one to decompose the steady state dynamics into cycles, characterized by their cycle affinities. The maximum achievable efficiency of the device is obtained in the zero affinity limit. This method is applied to analyze a microscopic model for a bulk heterojunction organic solar cell that includes the essential optical and interfacial electronic processes that characterize this system, leading to an explicit expression for the theoretical efficiency limit in such system. In particular, the deviation from Carnot's efficiency associated with the exciton binding energy is quantified.

研究动机与目标

• 开发一种通用框架，通过将网络理论应用于动力学模型，分析光伏效率。
• 确定有机体异质结（BHJ）太阳能电池开路电压和零电流效率的根本极限。
• 量化由于激子结合能和非辐射复合过程导致的偏离卡诺效率的程度。
• 提供一种透明的、基于环路的能量转换路径分解方法，适用于OPV系统。
• 建立一种可扩展至复杂、真实光伏系统的方法，这些系统包含多个状态和跃迁。

提出的方法

• 将光伏系统的动力学行为表示为有向图，其中节点代表系统状态，边代表跃迁速率。
• 应用图论将网络分解为独立环路，每个环路由其环路亲和力表征。
• 利用零亲和力极限（平衡态）推导理论最大开路电压和效率。
• 引入详细平衡条件，将正向与反向速率比表示为吉布斯自由能差的形式。
• 将光学吸收、激子形成、电荷转移和复合过程整合进一个六状态动力学模型。
• 通过分析环路亲和力和能级偏移，推导出开路电压和热力学效率的解析表达式。

实验结果

研究问题

• RQ1 在理想化条件下，有机光伏电池的理论开路电压上限是什么？
• RQ2 激子结合能和非辐射复合如何使效率低于卡诺极限？
• RQ3 网络理论能否提供一种透明的、基于环路的能量转换过程分解方法？
• RQ4 环路动力学的零亲和力极限与稳态光伏运行下的最大效率有何关联？
• RQ5 动力学参数和状态跃迁在多大程度上影响有机太阳能电池的最终效率？

主要发现

• 最大开路电压由光子能量、能带偏移以及激子结合能和非辐射复合导致的能量损失之间的平衡决定。
• 对于一个真实的BHJ-OPV电池六状态模型，理论最大效率为0.85，较300 K和6000 K光源温度下的卡诺极限0.95低10%。
• 开路电压由解析表达式 Δμ^OC = η^C × ΔE_D − V_C 精确再现，其中 η^C = 0.95 且 V_C = 0.15 eV，得出 Δμ^OC = 1.275 eV。
• 零亲和力环路（平衡环路）主导了开路行为，若网络中不存在此类环路，则效率完全由详细平衡和能级对齐决定。
• 该框架证实，给体相中的非辐射复合是效率损失的主要来源，其量化由能级偏移 V_C 表示。
• 主方程的数值求解验证了分析预测，显示推导表达式与仿真结果完全一致。