華南理工大學Joule: 可隔熱可發電的新型半透明光伏窗戶薄膜

【引言】

半透明有機太陽電池（ST-OPV）在市場方面具有顯著優勢，可整合到玻璃薄膜中在房屋幕墻、汽車窗戶及植物溫室外壁上應用。此外，還可利用有機材料顏色可調的特性制造不同顏色的太陽電池，增加了此類電池薄膜的建筑應用美觀度。目前市面上已有多種玻璃隔熱膜，可貼于建筑玻璃上控制太陽光透過，隔熱控溫，減少房屋溫控能耗。這些隔熱膜通常使用極薄金屬等材料，控制長波紅外線及短波紫外線的通過，從而達到在冬天保持室內溫暖、在夏天隔熱降溫的目的。半透明有機太陽電池的許多設計思路與商用隔熱膜非常相似，例如選擇性透過可見光，而將其他部分光線吸收利用，從而產生電能等。

【成果簡介】

近日，華南理工大學葉軒立教授聯合黃飛教授開發出同時具備發電和隔熱效果的半透明薄膜太陽電池，這類電池薄膜不僅具有高效的光電轉換效率，而且其隔熱效果也極為優異。團隊創新性地選擇了一類吸收邊延伸至900nm的窄帶隙非富勒烯受體作為在光吸收層中捕獲近紅外光的關鍵組分。近紅外光子的吸收不僅可使太陽電池產生額外的光電流，同時也賦予此電池器件隔熱功能。另外，超薄金屬銀電極也對紅外光具有反射作用，可幫助重新反射部分近紅外光回到吸光層，進一步增強器件的光電轉換效率及隔熱效果。為了盡可能多地吸收利用近紅外光，還可在銀電極后添加光學調控層。團隊通過使用高折射系數材料和低折射系數材料交替沉積，形成光學調控微腔，可在保持整體器件可見光透過率不變的條件下，進一步降低紅外光透過率，從而再次增強太陽電池器件薄膜的隔熱效果。通過上述材料和器件光學調控等方法，團隊實現了在光電轉換效率7%-9%范圍及可見光透過率20%-25%范圍內可調的條件下，電池薄膜的隔熱率均達到75%以上，最高可達90%，這為有機太陽電池技術在發電和節能方面的實際應用鋪平了道路。相關研究成果“Heat-Insulating Multifunctional Semitransparent Polymer Solar Cells”為題發表在Joule上。

【圖文導讀】

圖一?半透明太陽電池的光電轉換性能表征

（A）半透明太陽電池的模擬光電流數據（假設IQE = 100％）。

（B）電池J-V曲線特性

（C）電池透射光譜

（D）不同銀電極厚度器件的外量子效率（EQE）譜圖

圖二?半透明太陽電池的顏色參數及半透明性能示意圖

（A）在CIE 1931xyY色標圖上表示不同銀電極厚度的電池色坐標

（B）通過半透明電池薄膜拍攝的數碼照片，以顯示顏色效果和透明度

圖三?通過熱成像圖片比較半透明太陽電池的隔熱性能

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圖四?通過光學調控層進一步提升隔熱性能，同時維持可見光透過率不變

（A）制造的半透明電池器件（器件A）和具有布拉格光學調控層的半透明電池器件（器件B）的結構示意圖

（B）器件A和器件B的模擬和實驗透射光譜圖

（C）器件A和器件B的可見光透射率和隔熱率

【小結】

此研究工作開發了一種同時具備發電和隔熱雙重功能的半透明太陽電池。研究利用在近紅外波段有吸收的新型材料作為吸光層，在保持器件可見光透過率不變的情況下，增強近紅外波段光的吸收利用，從而增強器件光電轉換效率，同時賦予器件優異的隔熱效果。經測試發現，此研究中開發的半透明電池薄膜的隔熱效果已達商業化應用水平。特別地，增加了光學調控層還可進一步提升器件薄膜的隔熱效果。此工作提出的多功能太陽電池的新概念真正將研究和實際應用聯系起來，產學結合，為有機太陽電池推向市場提供了新方向。

文獻鏈接：“Heat-Insulating Multifunctional Semitransparent Polymer Solar Cells”(Joule, 2018,?DOI: 10.1016/j.joule.2018.06.006)?

本文由材料人編輯部學術組微觀世界編譯供稿，材料牛整理編輯。

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