李耀文在半透明有机太阳能电池领域取得新突破

zhisha

《先进材料》(Advanced Materials)以“Highly Efficient Semitransparent Organic Solar Cells with Color Rendering Index Approaching 100”为题，在线报道了苏州大学李永舫院士团队的李耀文教授在制备高显色指数半透明有机太阳能电池方面取得的重要研究进展(Adv. Mater., DOI: 10.1002/adma.201807159)，为推动有机太阳能电池在集成器件、光伏-建筑一体化（BIPV）中的应用提供了新途径。

针对传统硅基太阳能电池市场空间的局限性，有机太阳能电池的柔性、轻质、半透明等特点为BIPV领域的发展提供了契机，尤其是在光伏窗户等方面具有显著的优势。半透明有机太阳能电池可通过改变活性层材料的带隙、厚度、优化透明电极等方法实现光伏性能、半透明性和颜色的调控。其中，具有高显色指数的半透明有机太阳能电池（即，透过电池看到的物体具有更真实的色彩）作为光伏窗户更具有实际应用价值。然而，半透明有机太阳能电池的性能仍远落后于不透明电池，这归因于透过的光子无法被活性层吸收而导致的光电流损失。此外，半透明电池通常呈现出不同的色彩，降低了其可视性。基于此，苏州大学李耀文教授等人通过利用三元活性层的光吸收互补功能以及介质镜的光学精确调控功能，实现了高效率、高显色指数半透明有机太阳能电池的制备。他们引入近红外吸收非富勒烯材料（IHIC）作为受体以及两个中带隙材料（J71: PTB7-Th和PBDB-T: PTB7-Th）作为给体组成了三元活性层。通过对三元组分比例的精确调控，实现了光吸收互补，充分利用了近红外波段的光，减少了活性层在可见光范围内透过率的大幅度波动。进一步采用光学介质镜精准调控透过光谱，在可见光范围内获得了较为水平的透过曲线。最终，半透明有机太阳能电池的显色指数接近100、平均透过率超过20%，且光电转换效率达到了9.37%。更为重要的是，该种策略具有很好的普适性，不但适用于不同的活性层体系，还适用于制备大面积、柔性半透明器件。

相比于两元体系，三元体系具有更好的光吸收互补特性，有效抑制了在600-780 nm波长范围内透过光的波动性，且三元体系的共混膜展现出更好的显色性。进一步通过引入介质镜精确反射380-600 nm范围透过的光，可降低该区域的透过率，从而获得较为水平（均一）的透过光谱。基于三元体系和介质镜协同效应下制备的半透明有机太阳能电池具有很好的显色性，显色指数接近100，其色坐标接近模拟标准光源AM 1.5G。透过该半透明电池拍摄不同的画面能够很好保留原有的色彩。

为了进一步推动半透明有机太阳能电池走向实际应用，研究人员探索了该策略在大面积刮涂法中的适用性。采用刮涂法制备的大面积半透明有机太阳能电池同样具有优异的显色性，通过测试和统计不同区域的透过光谱和器件效率发现，大面积电池表现出了很好的均一性和重复性，为在光伏窗户上的应用提供了可能。他们还拓展了半透明有机太阳能电池在柔性电池中的应用。以网格银/导电聚合物为复合柔性底电极制备的柔性半透明电池效率达到了8.76%，并保留了高显色指数和透过率。综上所述，三元活性层和介质镜的协同策略不仅可有效解决半透明有机太阳能电池效率偏低的难题，而且还能同时提高显色指数和透过率。该策略在大面积和柔性半透明有机太阳能电池中的成功应用，极大的推动了半透明有机太阳能电池的商业化步伐，并为实现有机/钙钛矿太阳能叠层电池的制备打下了坚实的基础。

该工作共同第一作者为苏州大学硕士研究生张敬文，博士生许桂英，通讯作者为李耀文教授。该研究成果得到了国家自然科学基金面上项目（51673138）、重点国际(地区)合作研究项目（51820105003）、面向能源光电转换重大研究计划集成项目（91633301），江苏省优秀青年基金（BK20160059）等项目的资助。

论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201807159