朱晓张课题组在高效多功能半透明有机光伏方面取得新进展

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半透明有机光伏（ST-OPVs）在建筑光伏一体化如光伏窗户和光伏大棚等领域的应用受到人们广泛关注。不同于传统无机材料，有机材料的结构化吸收使得半透明有机光伏可以实现太阳能光谱的选择性利用，兼顾光电转换效率（PCE）和可见光平均透过率（AVT）。
　　在国家自然科学基金委、科技部和中国科学院的大力支持下，有机固体实验室朱晓张课题组在2016年提出了“给受体材料近红外区互补吸收”策略，实现了基于小带隙非富勒烯电子受体的高效半透明有机光伏（Adv. Mater. 2017,29, 1606574, J Am Chem Soc. 2020, 142, 11613.），该策略受到同行广泛关注，有力推动了半透明有机光伏领域的发展。

图1 半透明光伏性能理论预测

图2 理论指导的“给受体材料近红外互补吸收”策略，实现高效多功能半透明有机光伏

　　为实现更强的近红外光谱利用，课题组通过氮原子掺杂发展了一个光谱响应更红的非富勒烯受体，与宽带隙电子给体匹配，二元器件实现了0.15 eV的非辐射能量损失，低于传统硅电池的0.18 eV。作为第三组分掺入高效材料组合中，受体实现了近红外互补吸收，在不损失开路电压的情况下实现了短路电流密度的提升，基于三元体系的半透明有机光伏首次在超过20%的AVT下实现了超过14%的光电转换效率，相关成果发表在Angew. Chem. Int. Ed. 2022, DOI：10.1002/anie.202116111）上，该研究表明宽带隙给体和窄带隙受体的材料组合的透光率仍然偏低且难以有效调控，不利于实现高性能半透明光伏。
　　最近，课题组开展了半透明光伏的理论研究。从精细平衡理论出发，通过建立理想的“给受体近红外区互补吸收”的EQE模型，得出如下结论：1）半透明光伏器件的光利用效率（LUE，LUE=PCE×AVT）由给受体共同决定，这印证了“给受体材料近红外区互补吸收”策略的科学性；2）半透明的有机光伏最优带隙远远小于常规不透明光伏最优带隙；3）材料设计对于提升半透明器件的性能至关重要。基于此，课题组通过醌式共振效应设计了一个超窄带隙非富勒烯受体，基于其与窄带隙电子给体匹配的光伏器件的光谱响应达到1075 nm （1.15 eV），接近了半透明光伏的最优带隙。受益于拓展的近红外吸收，不透明器件获得了有机光伏中首次超过30 mA cm-2的短路电流密度和超过1000 nm非富勒烯光伏中最高的光电转换效率（13.32%）。通过器件优化，半透明器件在35%的平均可见光透过率下取得了9.37%的光电转换效率，实现了3.33%的LUE，是基于非光学修饰半透明器件中的最高值，有利于实现低成本加工和有机半导体的本征柔性特性；此外强近红外吸收的半透明器件还具有良好的隔热效率（IRR），在发电的同时，获得了超过相同透过率商用3M隔热窗膜的隔热性能。相关成果发表在Adv. Mater. 2022, DOI: 10.1002/adma.202200337上，论文第一作者为博士生刘武岳、孙绍铭和许胜杰副研究员，通讯作者为朱晓张研究员。
   
        文章来源：化学所
       朱晓张 研究员，2001年在吉林大学化学系获得学士学位，2006年在中国科学院化学研究所获得博士学位，2006-2012年先后在德国乌尔姆大学和日本东京大学从事博士后研究，2012年加入中科院化学所有机固体院重点实验室任研究员，2015年起任中国科学院大学岗位教授，现为中国化学会青年化学工作者委员会委员，中国侨联特聘专家和德国Thieme出版社Organic Materials杂志亚洲区编委。主要从事有机光电材料与器件领域的研究，开展独立研究以来，基于醌式结构及效应系统发展了醌型有机光电功能材料，包括高性能半导体材料、光伏给受体材料和热电材料等，过去五年作为通讯作者（第一单位）在Nat. Energy.，Acc. Chem. Res.， J. Am. Chem. Soc.和Adv. Mater.等高水平刊物上发表研究论文50余篇，申请专利8项。申请人曾获得中国科学院“优秀毕业生”荣誉称号（2006）、德国洪堡奖学金（2006）、日本学术振兴会奖学金（2009），日本化学会“The Distinguished Lectureship Award”（2017）。近五年培养研究生获奖30余人次，包括中科院院长奖、唐敖庆化学奖学金、国家奖学金、化学所所长特别奖、化学所青年科学特别奖等。