陈义旺、胡笑添团队《Adv. Mater.》：通过准平面异质结结构降低光学损失印刷制备高效有机光伏窗户

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有机太阳电池由于具有成本低、重量轻、可制备柔性器件、具有一定透明度等优点，表现出其适合与建筑和电子设备集成的前景。随后，半透明有机太阳电池由于其在结合储能和视觉功能方面的独特优势，在光伏-建筑一体化和光伏汽车中显示出巨大的应用潜力，于近年来受到了广泛关注。有机光伏窗户应在具有卓越的光电转换效率的同时，保持良好的透明度以保持其可视性。在过去的十几年，由于新型高性能活性层光伏材料的不断升级，半透明有机光伏器件的光电转换效率随之迅速提升，但其平均可见光透过率仍不理想。此外，除了良好的光学性能，有机光伏窗户对于自然环境中的降雨等条件的承受力也是影响其实际应用的一个重要指标。

由于半透明有机太阳电池器件中透过率的要求和器件内部的光学损失，半透明有机光伏器件的光能利用率是有所不足的。而半透明有机光伏器件内部的光学损失主要是由反射损失和寄生吸收损失组成，如界面层和电极中的能量耗散等。此外，本体异质结结构的活性层薄膜主要依靠给体和受体的自发纳米级相分离来提供理想的互穿网络形貌。因此，本体异质结结构的活性层薄膜中含有大量的会引起的光散射和寄生吸收的D/A界面，从而导致有机太阳电池器件的部分光损耗。因此，本体异质结结构可能是半透明有机光伏器件的平均可见光透过率值较低的主要原因之一。

针对上述问题，南昌大学/江西师范大学陈义旺教授和胡笑添研究员团队将准平面异质结策略和封装工艺相结合，通过降低光学损失成功印刷制备防水性能优异的大面积有机光伏窗户。首先，为了增加有机太阳电池器件的光电转换效率，第三组分被加入二元体系中以优化活性层薄膜形貌。其次，制备基于三元准平面异质结结构的半透明有机太阳电池。虽然可能第三组分的加入会使得三元活性层薄膜中出现比二元活性层薄膜中更多的光散射损失，但采用准平面异质结结构可以减少这种光学损失。在基于准平面异质结结构的三元活性层薄膜中，较少的D/A界面和优化后的活性层形貌有效降低了活性层中的光散射和寄生吸收损失，有利于提高半透明有机光伏器件的光能利用率。在准平面异质结结构活性层薄膜底部富集的深蓝色的聚合物给体可以有效地减少有机太阳电池器件底部的反射损失。

图1 （a）刮涂工艺示意图。基于（b）本体异质结和（c）准平面异质结结构的半透明光伏器件示意图。（d）活性层材料的化学结构式。（e）单侧玻璃破损的封装半透明光伏窗户防水示意图。（f）基于PM6/ICBA:Y6体系的封装半透明器件浸泡在水中并用万用表测试其电流照片。（g）PM6/ICBA:Y6体系三元有机光伏窗户实物照片。

通过对活性层薄膜垂直方向的元素分布进行定量和定性的测试，并对半透明太阳电池进行光电场模拟，可得到基于准平面异质结结构有利于扩大活性层薄膜中的垂直相分离尺寸，基于其这一结构的半透明有机太阳电池的光学损失小于基于本体异质结结构的半透明有机光伏器件的结论。故而采用准平面异质结策略可在提高半透明有机光伏器件平均可见光透过率的同时提高器件的光电转换效率。因此，基于PM6/ICBA:Y6体系的准平面异质结结构的半透明有机光伏器件的最高光电转换效率可达到14.62%，同时其平均可见光透过率高达20.42%。更重要的是，他们通过比较不同体系中基于本体异质结和准平面异质结结构的半透明有机太阳电池的光伏性能，证明了准平面异质结结构在印刷制备半透明有机光伏器件中的普适性。

图2 半透明有机光伏器件的（a）J-V曲线和（b）透射光谱。基于（c）PM6:ICBA:Y6和（d）PM6/ICBA:Y6体系活性层薄膜的深度X射线光电子能谱。基于（e）PM6:ICBA:Y6和（f）PM6/ICBA:Y6体系的半透明有机太阳电池器件的光电场|E|²分布图。（g）基于PM6:Y6和PM6/ICBA:Y6体系半透明有机光伏器件的色坐标。基于（h）PM6:ICBA:Y6和（i）PM6/ICBA:Y6结构的半透明有机光伏器件的光能分布比例图谱。

为了进一步实现有机光伏窗户的实际应用，他们在双层玻璃封装中加入了超疏水的图案化柔性插入层，在避免了半透明器件平均可见光透过率损失的同时为器件提供了长期的防水性能。通过印刷制备的基于PM6/ICBA:Y6体系的大面积有机光伏窗户具有高达13.34%的稳定的光电转换效率，并具有优异的防水性能。由于图案化柔性插入层的超疏水和封装特性，外层玻璃破损的有机光伏窗户在室温下的模拟降雨条件下放置1200 h后，其光电转换效率仍保持在初始效率的70.6%。

图3 （a）封装大面积半透明有机光伏器件J-V曲线。（b）无图案和图案化弹性体薄膜的透射光谱以及透过薄膜（左）和在空气中（右）拍摄的实物照片。（c）图案化弹性体薄膜的光学显微镜图像。（d）近两年来半透明太阳电池相关参数。（e）模拟降雨实验示意图。（f）无弹性体、无图案弹性体和图案化弹性体封装的大面积半透明有机光伏器件归一化光电转换效率随浸润时间的变化曲线。

以上相关成果以“Pseudo-Planar Heterojunction Organic Photovoltaics with Optimized Light Utilization for Printable Solar Windows”为题发表在《Advanced Materials》上。论文的第一作者为南昌大学化学化工学院博士生刘思奇，共同第一作者为南昌大学物理与材料学院硕士生李豪杰。通讯作者为南昌大学/江西师范大学陈义旺教授，共同通讯作者为南昌大学胡笑添研究员和中南大学张霖教授。

上述研究工作得到国家自然科学基金、江西省“双千计划”科技创新高端人才项目，以及江西师范大学氟硅能源材料与化学教育部重点实验室、北京大学长三角光电科学研究院等支持。

论文原文链接：

https://doi.org/10.1002/adma.202201604

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