西湖大学npj Flex. Electron.丨可见光透光率80%以上的高透明度有机光伏器件

透明光伏（TPV）技术不仅可以将太阳能转化为电能，而且可以提供自然的可见光环境，在生活中有着丰富的应用场景。例如，高透明度的太阳能电池可以被安装在办公室或客厅窗户上，既不影响建筑物美观和人眼舒适度，又可以最大程度利用建筑物外围空间发电。此外，在一些特殊的场景，TPV也有独特的应用优势，例如隐形自供电可穿戴设备。

目前TPV领域依然存在明显的挑战：（1）器件平均可见光透过率（AVT）难以超过80%，很难满足实际的应用功能和审美要求（建筑和车辆玻璃透光率通常要求达到70%以上）；（2）随着器件AVT的提高，器件的光电转化效率（PCE）迅速下降，难以平衡器件透明度和效率。

近日，西湖大学研究团队以已知的有机半导体活性层材料为例，系统研究了器件的透明度和光伏性能之间的关系。通过控制吸光层膜厚，器件的AVT值可以精确控制在40%-85%。通过进一步调节给受体比例，可以实现器件的AVT值为70%和80%时，TPV器件的效率分别达到4.06%和2.38%。该效率是迄今为止高透明度TPV（AVT > 70%）领域报道的最高效率。

图1： 薄膜光学特性。 (a)不同给体(D)和受体(A)薄膜的吸收光谱。(b)不同D-A比例或前驱体浓度在玻璃基底上制备的BHJ薄膜的照片。 (c-h)不同D-A比例或前驱体浓度制备的BHJ膜的AVT、CRI值和相关模型。

图2： TPV光学特性和光伏性能。 器件的AVT (a-c)， PCE (d-f)图。 (g-i)制备的TPVs中PCE、LUE和AVT的关系。

图3： TPVs的光伏及光学特性。 (a) TPV器件的结构和截面扫描电子显微镜(SEM)图像(比例尺为100 nm)。 (b) AVT为70.6% (D:A = 1:1.5，前体浓度为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为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为80.5%的TPV在不同光照方向上的J-V曲线。

图4： 不同D-A比例制备的光伏BHJ薄膜的GIWAXS和TEM表征。 比例尺是200 nm。

图5： TPV模组的光伏特性。 活性面积为1.05 cm² (a)和10.3 cm² (b)的TPV的J-V特性。(c) AVT为80.6%的TPV模组照片。 (d)使用AVT为70.6%的TPV模组为手机充电。

图6： 超柔性TPV器件的特性。 (a) 超柔性TPV器件的结构。下图分别为超柔性基底(左)、玻璃基底上的超柔性TPV器件(中)和独立的超柔性TPV器件(右)。 (b) 基底、薄膜和器件的光学透过率特性。 (c) 超柔性TPV从玻璃基底剥离前后的J-V特性。 (d) 贴于手腕的超柔性TPV器件(插图显示弯曲手腕时的超柔性TPV器件的细节)。

文章要点：

（1）研究发现，活性层薄膜的厚度是TPV透明度的主要影响因素，同时也会影响器件的效率；而给体-受体比例，仅对器件的效率有明显的影响，但对器件透明度影响不大；

（2）通过采用激光图案化技术，制备了大面积( ~10 cm²)的高透明度TPV模组。该模组可成功实现为手机等智能设备充电；值得说明的是，大面积TPV模组的透光率可以达到80%以上，其透明度达到甚至超过建筑物窗户双层玻璃的水平。

（3）首次报道了超柔TPV模组。超柔TPV器件可以轻松地贴敷在皮肤上，颜色明显浅于以往报道的任何柔性太阳能电池器件，有望用于开发隐形可穿戴电子设备中。

该工作于近期发表于柔性电子领域的期刊npj Flexible Electronics上。论文的第一作者为浙江大学-西湖大学联合培养博士生蒙蕤谦。西湖大学的姜倩晴博士和柳佃义博士为共同通讯作者。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41528-022-00173-9