化學與材料科學 - 浙大陳紅征、左立見課題組《Adv. Mater.》：平衡能量轉換與光選擇性吸收製備簡單結構、高性能半透明有機光伏器件－鑽石舞台

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有機光伏（OPV）具有質輕、成本低、溶液可加工、柔性、半透明等優點，受到了廣泛關注。目前，單結OPV的能量轉換效率（PCE）發展迅速，已突破19%。與此同時，半透明有機光伏（ST-OPV）由於其可見光透過提供透明性與不可見光吸收實現光電轉化的特點，在建築、車輛集成上具有廣闊的應用前景。高性能ST-OPV需要滿足選擇性吸收與能量轉換之間的平衡，因此，光利用效率（LUE=AVT×PCE）被用於表徵ST-OPV的綜合性能。由於缺少光譜合適的吸光材料，無法在選擇性吸收和能量轉換之間取得較好的平衡，單結電池的理論LUE可達到20%以上，實際卻～3%。

鑑於此，浙江大學陳紅征教授和左立見研究員團隊沿用光選擇性吸收能力數值計算（Advanced Energy Materials 11 (11), 2003408）並綜合考慮光電轉換過程的影響，分析篩選ST-OPV活性層材料組合搭配和器件優化策略，如三元策略、給受體（D:A）比例調節、厚度調節、簡單減反層設計等。以此構建了高性能半透明太陽能電池，並實現了器件性能突破，製備了LUE 5.0%的ST-OPV，為目前最高值之一。此外，該ST-OPV具有良好的面積放大效率保持能力、近紅外隔熱功能與器件穩定性，具有廣闊的應用前景。

1.材料的選擇

有效地對不可見光進行光-電轉換，同時儘可能允許可見光透過，是實現高性能ST-OPV的關鍵。在ST-OPV活性層材料的選擇上，從給體的角度分類，一般可以分為PTB7-Th為給體與PBDB-TF（PM6）為給體兩類。PTB7-Th具有良好的選擇性吸收能力，但能量轉換不充分；而PBDB-TF基ST-OPV具有低能量損失的特點，能高效實現能量轉換，但由於其可見光吸收較強，導致選擇性吸收能力較差，透明度低。

本工作以選擇性吸收值（S）對材料進行篩選，在高效率低能損體系PBDB-TF:L8-BO中加入第三組分BTP-eC9，形成近紅外光的互補吸收，提高S值。三元不透明器件取得19.35%的PCE（認證為19.07%），是目前單結有機光伏器件認證效率最高值之一。

圖1. 器件結構，材料吸收光譜與器件性能

2.D:A比例與厚度調節

活性層中給體PBDB-TF的吸收範圍為500-700 nm，與人眼視覺函數重疊，導致可見光區域的透射率下降。而受體L8-BO與BTP-eC9的吸收主要位於近紅外區域，這有利於近紅外光利用和可見光透過，從而有助於提高S值。鑑於此，在儘可能保證光電轉換不受影響的前提下降低活性層中給體的含量有利於實現更高的S值及LUE。調節給受體比例由最佳比例D:A=1:1.3至D:A=1:2時，不透明器件的PCE保持在18.23%，半透明器件與D:A=1:1.3及D:A=1:3的ST-OPV相比獲得LUE最高值。進一步分析不同D:A比例下的載流子動力學，發現D:A=1:2的器件具有與D:A=1:1.3相似的激子解離、電荷複合和收集特性，從而能保證D:A=1:2時取得FF最高值80.98%。同時，載流子動力學也與活性層形貌有關，通過AFM表徵發現，D:A=1:1.3與D:A=1:2時都保持了良好的納米互穿纖維網絡結構，而D:A=1:3時相分離尺寸過大阻礙了電荷的分離與傳輸，導致較低的FF為78.31%。

圖2. D:A比例調節的光學電學性能對比

圖3. D:A比例調節的光載流子動力學對比

此外，TeO2由於其高折射率和單層簡單真空熱蒸發沉積的特性被選為超薄Ag電極頂部的光學減反層。如圖所示，JSC顯示了隨着TeO2層厚度增加的周期性峰-谷-峰變化的趨勢。TeO2通過抑制反射損耗來增加可見光透射損耗而獲得更有利的光強度分布，從而提高LUE，而保持了大部分的電荷收集特性和不可見光捕獲能力。這可以通過EQE+T+R的增加得到驗證。進一步通過光學模擬與實驗驗證，對ST-OPV器件的活性層厚度、電極與光學層厚度進行優化，在活性層厚度為75 nm，銀電極厚度為13 nm，單層TeO2 減反層厚度為45 nm時達到最佳LUE為5.0%的ST-OPV（PCE=12.95% ，AVT= 38.67%），為目前最高值之一。

圖4. 厚度調節

3.面積放大效率保持能力、近紅外隔熱能力與器件穩定性

ST-OPV在面積為1.05 cm2的放大器件上實現了12.09%的效率，證明了其大面積製造的前景。此外，ST-OPV具有良好的近紅外光反射能力，具有隔熱功能。最後，對ST-OPV穩定性也作出探究，發現其具有良好的儲藏穩定性。我們的工作為高性能ST OPV的吸收選擇性和光電轉換提供了一個合理的平衡設計，並可能為在建築、車輛的半透明電池集成應用鋪平道路。

圖5. 面積放大效率保持能力、近紅外隔熱能力與器件穩定性

綜上，該工作沿用數值計算分析ST-OPV活性層材料光選擇性吸收能力的方法篩選材料，綜合考慮選擇性光吸收和光電轉換過程的影響，利用三元策略、給受體（D:A）比例調節、厚度調節、簡單減反層設計的方法，平衡了選擇性吸收與光電轉換，構建的高性能ST-OPV實現了LUE 5.0%，為目前最高值之一。此外，該ST-OPV具有良好的面積放大能力、近紅外隔熱功能與器件穩定性，在建築、車輛的半透明電池集成應用上具有廣闊的應用前景。

原文鏈接

https://doi.org/10.1002/adma.202205844

作者簡介

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陳紅征，浙江大學求是特聘教授，博士生導師。國家傑出青年基金獲得者（2002年），入選教育部跨世紀優秀人才培養計劃（2001年），中國化學會青年化學獎獲得者（2000年），入選浙江省「151人才工程」（2000年）和浙江省萬人計劃傑出人才（2020年）。1988年浙江大學本科畢業，1994年浙江大學博士畢業後留校任教，1999年晉升為教授，2011年受聘為浙江大學求是特聘教授。先後在香港科技大學、比利時Antewerp大學和歐洲高校聯合微電子中心、美國Stanford大學進行合作研究。主要從事有機高分子和有機無機雜化鈣鈦礦光電功能材料與器件的研究與教學工作，在Nature Nano., Adv. Mater., J. Am. Chem. Soc., Nature Commun., Angew. Chem. Int. Ed., Energy Environ. Sci., Joule等期刊發表論文400多篇，論文他引超過12000次。兼任美國化學會期刊ACS Applied Polymer Materials副主編等。

左立見，浙江大學高分子科學與工程學系特聘研究員。2014年6月在浙江大學高分子科學與工程學系獲博士學位（導師：陳紅征教授）。讀博期間，圍繞聚合物太陽電池器件工程開展研究工作，畢業後留校讀博後。2015年加入加州大學洛杉磯分校（UCLA）材料系楊陽（Yang Yang）教授課題組，從事鈣鈦礦電池的研究；2016年加入美國華盛頓大學材料系任廣禹（Alex Jen）教授課題組，從事聚合物光伏器件研究。2020年，入選國家級人才項目，以浙大「百人計劃」研究員身份加入浙江大學高分子系有機半導體研究室。近年來聚焦於高性能、低成本聚合物和鈣鈦礦光伏器件技術，並取得了一系列進展。目前已發表文章100餘篇，已授權中國專利1項，論文引用超過6400次。以第一作者/通訊作者身份在Nature Nanotechnology, Science Advances, Nature Communication, Journal of the American Chemical Society, Energy & Environmental Science, Advanced Materials等國際核心期刊發表論文50多篇；7篇論文入選ESI高被引用論文。

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