研究背景

     有机太阳能电池因为其质量轻、可溶液加工、成本低、材料能级和带隙易于调节等优点，得到了研究人员的广泛关注，半透明有机太阳能电池(STOPV)是一种集成光电转换和光子透过两种特性于一体的功能器件，既能吸收利用光子转换成电能，又能透过可见光区的光子实现透光，还可以实现隔热保温等特殊功能，未来可应用在车辆、建筑以及农业温室大棚等领域。但半透明有机太阳能电池要想实现应用，必须解决能量转换效率(PCE)、可见光透过率(APT)与近红外光隔热率(IRR)有机统一的问题。不同于传统的单一优化策略，本文通过采用高性能三元策略和多层光学调控层的方法来协同改善STOPV的性能，实现了PCE、APT和IRR的均衡提升，有助于推动STOPV的商业化应用。

文章重要内容

     基于上述背景，浙江大学高分子科学与工程学系、浙江大学杭州国际科创中心信息与功能材料研究院陈红征教授课题组通过结合高性能三元策略和多层光学调控层来协同提升半透明有机太阳能电池的性能。在活性层材料层面上，通过结合宽带隙给体和两个吸收相似但对称性不同的近红外受体分子，将单结三元不透明有机太阳能电池的效率优化至18.66%。在半透明器件结构层面上，通过三重光学调控方案，在器件的入射光和出射光方向引入了减反射层(ARC)，二氧化碲(TeO₂)光学层和带通滤光片(BF)层，设计优化器件的光利用能力，制得了光利用效率(LUE)4.6%(PCE为12.82%，APT为35.70%)，近红外光隔热率96.8%的半透明有机太阳能电池。

文章概述

     本文采用的一种新型的三元活性层策略，选择聚合物PM6作为给体，非富勒烯材料BTP-eC9和BTP-S9作为受体，其中，BTP-eC9和BTP-S9具有近似的吸收光谱(图1)，从而确保两者共混不会导致EQE边缘蓝移影响光电流。因此，三元组分比例变化调控性能时，不会因为吸收光谱的变化而影响可见光透过和近红外光吸收，以此来平衡PCE和APT。

图1 (a) PM6、BTP-eC9和BTP-S9的化学结构；(b) PM6、BTP-eC9和BTP-S9薄膜的归一化吸收光谱。

      在不作任何光学调控的情况下，通过优化银电极厚度制备了相应的半透明器件。其结构为ITO/PEDOT:PSS/PM6:BTP-eC9:BTP-S9/PDINN/Ag(10，12和14 nm)。当银电极厚度为14 nm时，仍然能在保持15.02%器件效率的基础上实现接近20%的可见光透过能力。以上结果说明了三元策略在获得高性能STOPV方面的可行性。但是不平衡的PCE与APT之间的矛盾以及较差的IRR等问题依然存在。

       为了进一步提高STOPV的光利用率，作者在原有的STOPV器件结构(图2(a))上引入了三种功能的光学调控层，分别为①ARC，②TeO₂和③BF。图3(a)~3(d)是具有不同光学功能层的STOPV 的J-V 曲线、EQE曲线、透过和反射图谱。

图2 (a) STOPV示意图、(b) 活性层浓度为16mg/mL时不同银电极厚度的STOPV的J-V和(c) 透过率曲线。

图3 (a) J-V曲线；(b) EQE和反射光谱；(c) 透射光谱；(d) 具有不同光学层的STOPV的具体EQE光谱。 

①增透层(ARC)：采用ARC层降低导电ITO玻璃侧玻璃和空气界面处的光学反射，提高光子透射水平。ARC + STOPV在可见光区(400~530 nm)的透过率有一定提升，反射率也相比降低约5%。

②抗反射层(TeO₂)：已有研究表明，超薄银电极顶部沉积光学层TeO₂，可有效提高STOPV器件光选择性吸收水平。引入单层TeO₂光学层以后，STOPV能在轻微牺牲效率下大幅度改善可见光透过水平，提高光利用率。

③光选择性吸收带通滤光结构(BF)：TeO₂光学层对于STOPV的透光率的提升没有特定的区域选择性。图4展示了BF的透过曲线和三元活性层薄膜的吸收图谱。可以看出，BF的透过和截止波段范围与三元活性层薄膜的吸收范围完美匹配，具有十分显著的选择性吸收光的能力。

图4 高光选择吸收近红外光介质镜的透过率曲线和有源层薄膜的吸收曲线。

文章总结

     结果，结合三种光学层制备的ARC-TeO₂-BF-STOPV(图3(c-d))，其J_sc显著提升，而V_oc和FF则几乎不受增加的BF结构的影响。ARC-TeO₂-BF-STOPV实现了性能的极致均衡，其具有12.82%的PCE，35.70%的APT以及4.6%的LUE，近红外光隔热率达到了96.8%，其隔热能力优于3M公司生产的近红外光阻隔膜。此外，从器件的实拍照片(图5(c))可以看出其具有较好的色彩保真能力(显色指数79.37)，以及良好的审美观感(图5(d))，其色坐标为(0.284，0.323)，显现淡蓝色。本文提供了一种改善STOPV性能的新方案，通过三元策略结合多重光学调控工程，综合调控STOPV的光学和电学性能，提升了STOPV在光伏建筑集成上的应用潜力。

图5 (a) STOPV性能对比：PCE vs APT；(b) 16 mg/mL ARC-TeO₂-BF-STOPV的IRR与市售红外光阻隔膜性能对比，3M公司产品；(c) STOPV器件的数码照片；(d) ARC-TeO₂-BF-STOPV的CIE 1931色坐标图。

     上述工作以研究论文的形式在《高分子学报》2024年印刷出版，第一作者为浙江大学高分子科学与工程学系、浙江大学杭州国际科创中心信息与功能材料研究院博士后李耀凯，通信联系人为陈红征教授。

引用本文：

李耀凯, 关诗陶, 李水兴, 左立见, 陈红征.

超96%近红外光隔热率的高性能半透明有机太阳能电池.

高分子学报,2024,10.11777/j.issn1000-3304.2024.24102

Li, Y. K.; Guan, S. T.; Li, S. X.; Zuo, L. J.; Chen, H. Z.

High-performance semitransparent organic solar cells exceeding 96% near-infrared light insulation rate.

Acta Polymerica Sinica,2024,10.11777/j.issn1000-3304.2024.24102

原文链接：http://www.gfzxb.org/thesisDetails#10.11777/j.issn1000-3304.2024.24102&lang=zh