多彩半透明有机太阳电池

来源：X一MOL资讯

有机太阳电池具有轻、薄、可溶液加工和吸光带隙连续可调的优点，区别于无机半导体光伏，在便携能源和建筑集成光伏等领域具有应用前景，这也是当前半导体材料和能源化学领域的研究前沿之一。发展建筑集成光伏需要制备兼顾能量转换效率、光学与装饰美学等功能性的新型太阳电池，关键科学问题在于如何精准调制太阳电池器件在可见区的透过光谱（380-780 nm），获得能量转换效率与可视透过率的最优平衡。通常，多彩半透明有机太阳电池（ST-OSCs）可利用不同颜色的光活性层制备得到，但这类器件在整个可见光区吸收宽泛，且能量效率不一致。因此，不利于实现兼具高能量效率和光学性能的半透明太阳电池。另一方面，透明电极，例如氧化铟锡和超薄金属不具备选择性透过的特性，会造成非可见区的光谱透过损失，从而降低半透明太阳电池的能量转换效率。同时，超薄金属在沉积生长时容易形成孤岛状的不连续薄膜，导致电极的透光性、导电率及表面粗糙度变差，最终影响电池的光伏和光学性能。因此，发展兼具高能量转换效率和高透过峰值的多彩半透明有机太阳电池具有一定挑战性。

本工作中，浙江大学有机半导体研究室李昌治研究员与华南理工大学叶轩立教授的研究团队合作，实现了一类能量转换效率（PCE）达到14%和可见透过峰值（TMAX）超过30%的多彩半透明有机太阳电池。工作中发现自掺杂富勒烯衍生物（Bis-FIMG）电子传输层，同时具有诱导薄层金属沉积生长的作用，可由此获得高质量超薄金属透明电极。进而构建薄层Ag/TeO2介电层/薄层Ag的光学谐振腔，结合光学模拟指导，对器件的透过光谱在可见光区进行精准调制，最终实现了基于单一光活性层的多彩半透明光伏器件，分别获得TMAX为31.0%、PCE为14.04%的蓝色ST-OSC，TMAX为21.8%、PCE为14.60%的绿色ST-OSC，以及TMAX为25.2%、PCE为14.28%的红色ST-OSC。该工作为发展高性能多彩半透明有机太阳电池提供了一种可行方法。

图1. 多彩ST-OSCs的器件结构、活性层及电子传输层富勒烯分子结构。基于不同基底沉积生长的超薄金属电极透光性对比，和多彩半透明太阳电池的光学模拟CIE图。

在研究中发现，自掺杂富勒烯导电衍生物不仅具有优异的电子输运能力，同时得益于富勒烯吡咯烷铵碘盐与银原子之间相互作用，可以诱导沉积的超薄银电极形成均一连续的薄膜，通过工艺优化可成功获得具有高可见透过率、导电率及低表面粗糙度的超薄金属透明电极，一定程度上提升了器件的光伏性能和光学性能。进一步在薄层银电极上沉积蒸镀具有高折射率（n = 2.2）的透明介电层TeO2和薄层金属Ag构建了 “三明治”型（Ag/TeO2 / Ag）的法布里-佩罗光学谐振腔（Fabry–Pérot cavity），通过其对可见光区光谱干涉调制作用，可分别达成红（620-770 nm）、绿（500-530 nm）和蓝（430-470 nm）光谱的选择性透过。

图2. 基于Ag/TeO2/Ag谐振腔制备的多彩ST-OSCs的透过光谱及相应透过谱加成后的图像。

新型的多彩半透明有机太阳电池通过正型器件制备得到，具体结构包括了：玻璃ITO/PEDOT:PSS/PM6:Y6光活性层/Bis-FIMG/Ag/TeO2/Ag。华南理工大学团队基于传输矩阵法对全器件结构进行了详细的光学模拟计算，构建器件性能-结构函数关系[JSC100%IQE, VLT, (x, y), CRI, max(T380-780)] = f (tBHJ, tAg, tTeO2, tAg)，遍历活性层、Ag和TeO2厚度变量，模拟优化理想条件下的器件光伏和光学性能，优选得出最优器件结构的各层厚度。

图3.多彩ST-OSCs的光伏性能、光学电场模拟及能量分布比例图

基于光学模拟指导，浙江大学团队在实验中分别制备了具有蓝、绿、红三色及不同色饱和度的多彩半透明有机太阳电池。结果显示，基于不同颜色的半透明有机太阳电池可获得与不透明器件相差无异的开路电压及填充因子，进一步证明基于富勒烯传输层制备得到的Ag/TeO2/Ag谐振腔电极具有等同于厚银电极的电子收集效率和电极功函。半透明器件的短路电流密度会因器件的颜色、透过及色饱和度不同而有所差别，主要是由于选择透过的波峰及半峰宽大小不同所致。多彩器件的透过光谱波峰与光电转换外量子效率（EQE）谱波谷准确对应，说明通过对器件结构的精准调制可实现光学与光电性能的优化平衡。这类半透明电池器件的量子利用效率（QUE = EQE + Transmittance）在宽光谱范围保持在70%以上，峰值可接近80%，说明器件内部光学损耗（如寄生吸收和内量子效率损失）相对较低，主要光学损失源于玻璃一侧的光学反射损失。最终，该工作实现了基于单一光活性层的多彩半透明光伏器件，呈现出不同颜色、透过及色饱和度，分别可获得透过峰值（TMAX）为31.0%、光电转换效率（PCE）为14.04%的蓝色ST-OSC，TMAX为21.8%、PCE为14.60%的绿色ST-OSC，以及TMAX为25.2%、PCE为14.28%的红色ST-OSC，该工作为制备高效多彩半透明有机太阳电池提供了一种可行方法，具有建筑集成的光伏玻璃幕墙方面应用前景。

工作在国家科技部重点研发计划“变革性技术关键科学问题”重点专项和自然科学基金优秀青年科学基金项目等资助下开展完成，相关论文近期发表在ACS Energy Letters 上。浙江大学博士研究生李雪为文章的第一作者，华南理工大学博士夏若曦为文章共同第一作者，共同作者包括浙江大学有机半导体实验室的严康荣、任劼、李昌治研究员、陈红征教授和华南理工大学叶轩立教授，其中李昌治和叶轩立为共同通信作者。