西湖大學npj Flex. Electron.丨可見光透光率80%以上的高透明度有機光伏器件

透明光伏（TPV）技術不僅可以將太陽能轉化為電能，而且可以提供自然的可見光環境，在生活中有著豐富的應用場景。例如，高透明度的太陽能電池可以被安裝在辦公室或客廳窗戶上，既不影響建筑物美觀和人眼舒適度，又可以最大程度利用建筑物外圍空間發電。此外，在一些特殊的場景，TPV也有獨特的應用優勢，例如隱形自供電可穿戴設備。

目前TPV領域依然存在明顯的挑戰：（1）器件平均可見光透過率（AVT）難以超過80%，很難滿足實際的應用功能和審美要求（建筑和車輛玻璃透光率通常要求達到70%以上）；（2）隨著器件AVT的提高，器件的光電轉化效率（PCE）迅速下降，難以平衡器件透明度和效率。

近日，西湖大學研究團隊以已知的有機半導體活性層材料為例，系統研究了器件的透明度和光伏性能之間的關系。通過控制吸光層膜厚，器件的AVT值可以精確控制在40%-85%。通過進一步調節給受體比例，可以實現器件的AVT值為70%和80%時，TPV器件的效率分別達到4.06%和2.38%。該效率是迄今為止高透明度TPV（AVT?> 70%）領域報道的最高效率。

圖1：?薄膜光學特性。 (a)不同給體(D)和受體(A)薄膜的吸收光譜。(b)不同D-A比例或前驅體濃度在玻璃基底上制備的BHJ薄膜的照片。 (c-h)不同D-A比例或前驅體濃度制備的BHJ膜的AVT、CRI值和相關模型。

圖2：?TPV光學特性和光伏性能。 器件的AVT (a-c)， PCE (d-f)圖。 (g-i)制備的TPVs中PCE、LUE和AVT的關系。

圖3：?TPVs的光伏及光學特性。 (a) TPV器件的結構和截面掃描電子顯微鏡(SEM)圖像(比例尺為100 nm)。 (b) AVT為70.6% (D:A = 1:1.5，前體濃度為15.5 mg/mL)， 75.6% (1:2, 15 mg/mL)和80.4% (1:1.5,9 mg/mL)的TPV的J-V特性。 AVT為70.6% (c)和80.4% (d)的TPV器件的透射(T)、反射(R)和外部量子效率(EQE)特性。(e) AVT為80.5%的TPV在不同光照方向上的J-V曲線。

圖4： 不同D-A比例制備的光伏BHJ薄膜的GIWAXS和TEM表征。 比例尺是200 nm。

圖5：?TPV模組的光伏特性。 活性面積為1.05 cm² (a)和10.3 cm²?(b)的TPV的J-V特性。(c) AVT為80.6%的TPV模組照片。 (d)使用AVT為70.6%的TPV模組為手機充電。

圖6：?超柔性TPV器件的特性。 (a) 超柔性TPV器件的結構。下圖分別為超柔性基底(左)、玻璃基底上的超柔性TPV器件(中)和獨立的超柔性TPV器件(右)。 (b) 基底、薄膜和器件的光學透過率特性。 (c) 超柔性TPV從玻璃基底剝離前后的J-V特性。 (d) 貼于手腕的超柔性TPV器件(插圖顯示彎曲手腕時的超柔性TPV器件的細節)。

文章要點：

（1）研究發現，活性層薄膜的厚度是TPV透明度的主要影響因素，同時也會影響器件的效率；而給體-受體比例，僅對器件的效率有明顯的影響，但對器件透明度影響不大；

（2）通過采用激光圖案化技術，制備了大面積( ~10 cm²)的高透明度TPV模組。該模組可成功實現為手機等智能設備充電；值得說明的是，大面積TPV模組的透光率可以達到80%以上，其透明度達到甚至超過建筑物窗戶雙層玻璃的水平。

（3）首次報道了超柔TPV模組。超柔TPV器件可以輕松地貼敷在皮膚上，顏色明顯淺于以往報道的任何柔性太陽能電池器件，有望用于開發隱形可穿戴電子設備中。

該工作于近期發表于柔性電子領域的期刊npj?Flexible?Electronics上。論文的第一作者為浙江大學-西湖大學聯合培養博士生蒙蕤謙。西湖大學的姜倩晴博士和柳佃義博士為共同通訊作者。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41528-022-00173-9