【材料】苏州大学唐建新课题组AFM：光谱选择性耦合结构实现柔性有机太阳能电池光热调控

导语

柔性有机太阳能电池（FOSC）因成本低、轻质便携、机械柔性高等独特优势而备受关注。得益于有机半导体材料、柔性电极、光调控技术以及界面工程的迅速发展，FOSC的功率转换效率（PCE）目前已突破18%。然而，FOSC的稳定性仍然无法满足商业化应用的要求。在实际工作环境中，水分、氧气、生热等诸多因素时刻影响着器件的性能。其中，器件发热无法通过封装技术得以抑制，会对功能层和活性层造成极大损害，是FOSC稳定性所面临的一大难题。近日，苏州大学唐建新课题组通过光热调控结构降低FOSC工作温度，使器件寿命得到显著提高，相关成果发布在发表在Adv. Funct. Mater.（DOI: 10.1002/adfm.202212260）。

前沿科研成果

光谱选择性耦合结构实现柔性有机太阳能电池光热调控

为了解决FOSC热稳定性差的问题，本工作结合亚波长半球结构与分布式布拉格反射镜设计了光谱选择性耦合结构（SSCS），在抑制器件近红外光热转换的同时，提高了基于中红外波段的辐射散热能力。该光热调控策略降低了FOSC的工作温度，使器件寿命显著增加。

具体地，本工作首先分析了FOSC中热量的转移路径，阐明了增强对外热辐射与减小器件内热生成是降低FOSC工作温度的两个重要途径。相比于热传导和热对流，热辐射具有被动散热的优点，无需额外的能量消耗，符合FOSC低成本、轻质便携的特点。通过理论计算，本工作揭示了界面反射对器件热辐射的不利影响。由于界面反射的存在，平面柔性衬底对红外辐射光有很强的陷光作用，导致大于45°发射的红外辐射绝大部分难以逃逸，无法将热量发散。因此，FOSC器件的辐射散热被严重抑制。

（来源：Adv. Funct. Mater.） 

为解决这一问题，本工作在聚二甲基硅氧烷（PDMS）柔性衬底的背面引入由亚波长半球结构和布拉格反射镜（DBR）构成的SSCS结构，通过其光散射作用抑制界面全反射导致的严重陷光。同时，实现了对可见光（Vis）、近红外光（NIR）、中红外（MIR）波段的选择性光谱调控。光谱表征结果表明，在引入亚波长半球结构之后，柔性衬底的红外发射率得到增强，器件在Vis-NIR全波段的吸收由于结构的散射效应也有所提高。整合DBR之后的SSCS结构在进一步提高了MIR发射率的同时显著降低了NIR的吸收，减小了热量生成。基于FDTD的模拟结果证明了亚波长半球结构抑制了界面反射，打破了平面PDMS薄膜的波导模式。近场与远场模拟结果表明，结构化薄膜的MIR外耦合得到增强，使大于30°的红外辐射出光能力得到显著改善。

（来源：Adv. Funct. Mater.）  

接着，本工作制备了结构为PDMS/AgNWs/ZnO:Cs₂CO₃/D18:Y6:PC₇₁BM/MoO₃/Ag的FOSC器件。虽然SSCS器件的光电流由于DBR对可见光的阻碍而略有降低，SSCS器件仍获得了17.11%的最大PCE。计算获得的能量转换谱图表明SSCS器件的热量生成明显低于标件，有利于工作温度的降低。

（来源：Adv. Funct. Mater.）  

最后，本工作通过搭建的温度测试平台验证了SSCS策略对FOSC的降温效果。根据红外热像图，器件在引入SSCS结构之后具有显著降低的工作温度，最高温度相比于标件减少了9.6 °C。通过实时跟踪器件在上午9点至下午16点这一时间段的温度变化，SSCS器件始终保持较低的工作温度，证明了光热调控策略的有效性。此外，在该时段内环境温度变化较小，而FOSC器件温度变化明显，这说明了在该测试中辐射能量交换是影响器件温度的主要因素。在稳定性测试中，SSCS器件PCE衰减速率远远低于标件，根据数据拟合得出的T₈₀寿命可达350天，是标件的三倍以上。本工作通过基于微纳结构的光热调控策略，增强了FOSC的工作稳定性。

（来源：Adv. Funct. Mater.）  

总结：综上所述，本工作利用亚波长半球结构以及DBR构筑了一种具备光热调控效果的新型柔性衬底，通过抑制近红外波段光热转换与增强中红外辐射外耦合降低了器件工作温度，从而获得高效稳定的FOSC。本工作为提高FOSC稳定性提供了一种普适的方法，开拓了新的思路。文章以“Efficient and Stable Flexible Organic Solar Cells via the Enhanced Optical-Thermal Radiative Transfer”为题发表在Adv. Funt. Mater. （DOI: 10.1002/adfm.202212260）上，共同第一作者为苏州大学博士生张叶帆和博士生任昊，通讯作者为苏州大学唐建新教授、陈敬德副研究员和华东师范大学李艳青教授。

唐建新课题组简介

课题组成立以来主要从事光电材料与器件方面的研究，针对有机、钙钛矿发光和光伏领域中的材料合成、光调控、界面工程等方向开展工作，目前已在学术期刊发表论文200余篇。课题组内有固定成员4名，研究生20余名。

唐建新教授简介

 苏州大学功能纳米与软物质研究院教授，博士生导师。主要从事有机和钙钛矿发光显示器件（OLED，PeLED）在平板显示和固体照明领域的应用研究，新型光伏能源材料与器件，半导体界面物理等研究。发表论文200余篇，论文他引9000余次，授权发明专利20余项，撰写英文专著2部(章)。主持科技部973计划、国家重点研发计划项目、国家自然科学基金、江苏省自然基金重点项目等多项。入选“万人计划”科技创新领军人才、教育部“长江学者奖励计划”青年学者、科技部中青年科技创新领军人才、江苏省“333高层次人才培养工程”第二层次（第六期、第五期）、江苏省“六大人才高峰”高层次人才培养对象。获江苏省科学技术一等奖(排名第1)、教育部 “高等学校科学研究优秀成果奖”自然科学二等奖(排名第1)、江苏省青年科技奖。担任国际期刊IEEE Electron Device Letters副主编及《液晶与显示》等多个学术期刊编委。

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