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  有機(jī)太陽(yáng)電池由于具有成本低、重量輕、可制備柔性器件、具有一定透明度等優(yōu)點(diǎn)，表現(xiàn)出其適合與建筑和電子設(shè)備集成的前景。隨后，半透明有機(jī)太陽(yáng)電池由于其在結(jié)合儲(chǔ)能和視覺(jué)功能方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，在光伏-建筑一體化和光伏汽車(chē)中顯示出巨大的應(yīng)用潛力，于近年來(lái)受到了廣泛關(guān)注。有機(jī)光伏窗戶應(yīng)在具有卓越的光電轉(zhuǎn)換效率的同時(shí)，保持良好的透明度以保持其可視性。在過(guò)去的十幾年，由于新型高性能活性層光伏材料的不斷升級(jí)，半透明有機(jī)光伏器件的光電轉(zhuǎn)換效率隨之迅速提升，但其平均可見(jiàn)光透過(guò)率仍不理想。此外，除了良好的光學(xué)性能，有機(jī)光伏窗戶對(duì)于自然環(huán)境中的降雨等條件的承受力也是影響其實(shí)際應(yīng)用的一個(gè)重要指標(biāo)。

  由于半透明有機(jī)太陽(yáng)電池器件中透過(guò)率的要求和器件內(nèi)部的光學(xué)損失，半透明有機(jī)光伏器件的光能利用率是有所不足的。而半透明有機(jī)光伏器件內(nèi)部的光學(xué)損失主要是由反射損失和寄生吸收損失組成，如界面層和電極中的能量耗散等。此外，本體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的活性層薄膜主要依靠給體和受體的自發(fā)納米級(jí)相分離來(lái)提供理想的互穿網(wǎng)絡(luò)形貌。因此，本體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的活性層薄膜中含有大量的會(huì)引起的光散射和寄生吸收的D/A界面，從而導(dǎo)致有機(jī)太陽(yáng)電池器件的部分光損耗。因此，本體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)可能是半透明有機(jī)光伏器件的平均可見(jiàn)光透過(guò)率值較低的主要原因之一。

  針對(duì)上述問(wèn)題，南昌大學(xué)/江西師范大學(xué)陳義旺教授和胡笑添研究員團(tuán)隊(duì)將準(zhǔn)平面異質(zhì)結(jié)策略和封裝工藝相結(jié)合，通過(guò)降低光學(xué)損失成功印刷制備防水性能優(yōu)異的大面積有機(jī)光伏窗戶。首先，為了增加有機(jī)太陽(yáng)電池器件的光電轉(zhuǎn)換效率，第三組分被加入二元體系中以優(yōu)化活性層薄膜形貌。其次，制備基于三元準(zhǔn)平面異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的半透明有機(jī)太陽(yáng)電池。雖然可能第三組分的加入會(huì)使得三元活性層薄膜中出現(xiàn)比二元活性層薄膜中更多的光散射損失，但采用準(zhǔn)平面異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)可以減少這種光學(xué)損失。在基于準(zhǔn)平面異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的三元活性層薄膜中，較少的D/A界面和優(yōu)化后的活性層形貌有效降低了活性層中的光散射和寄生吸收損失，有利于提高半透明有機(jī)光伏器件的光能利用率。在準(zhǔn)平面異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)活性層薄膜底部富集的深藍(lán)色的聚合物給體可以有效地減少有機(jī)太陽(yáng)電池器件底部的反射損失。

圖1 （a）刮涂工藝示意圖�；冢�b）本體異質(zhì)結(jié)和（c）準(zhǔn)平面異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的半透明光伏器件示意圖。（d）活性層材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)式。（e）單側(cè)玻璃破損的封裝半透明光伏窗戶防水示意圖。（f）基于PM6/ICBA:Y6體系的封裝半透明器件浸泡在水中并用萬(wàn)用表測(cè)試其電流照片。（g）PM6/ICBA:Y6體系三元有機(jī)光伏窗戶實(shí)物照片。

  通過(guò)對(duì)活性層薄膜垂直方向的元素分布進(jìn)行定量和定性的測(cè)試，并對(duì)半透明太陽(yáng)電池進(jìn)行光電場(chǎng)模擬，可得到基于準(zhǔn)平面異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)有利于擴(kuò)大活性層薄膜中的垂直相分離尺寸，基于其這一結(jié)構(gòu)的半透明有機(jī)太陽(yáng)電池的光學(xué)損失小于基于本體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的半透明有機(jī)光伏器件的結(jié)論。故而采用準(zhǔn)平面異質(zhì)結(jié)策略可在提高半透明有機(jī)光伏器件平均可見(jiàn)光透過(guò)率的同時(shí)提高器件的光電轉(zhuǎn)換效率。因此，基于PM6/ICBA:Y6體系的準(zhǔn)平面異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的半透明有機(jī)光伏器件的最高光電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到14.62%，同時(shí)其平均可見(jiàn)光透過(guò)率高達(dá)20.42%。更重要的是，他們通過(guò)比較不同體系中基于本體異質(zhì)結(jié)和準(zhǔn)平面異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的半透明有機(jī)太陽(yáng)電池的光伏性能，證明了準(zhǔn)平面異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)在印刷制備半透明有機(jī)光伏器件中的普適性。

圖2 半透明有機(jī)光伏器件的（a）J-V曲線和（b）透射光譜�；冢�c）PM6:ICBA:Y6和（d）PM6/ICBA:Y6體系活性層薄膜的深度X射線光電子能譜。基于（e）PM6:ICBA:Y6和（f）PM6/ICBA:Y6體系的半透明有機(jī)太陽(yáng)電池器件的光電場(chǎng)|E|²分布圖。（g）基于PM6:Y6和PM6/ICBA:Y6體系半透明有機(jī)光伏器件的色坐標(biāo)。基于（h）PM6:ICBA:Y6和（i）PM6/ICBA:Y6結(jié)構(gòu)的半透明有機(jī)光伏器件的光能分布比例圖譜。

  為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)有機(jī)光伏窗戶的實(shí)際應(yīng)用，他們?cè)陔p層玻璃封裝中加入了超疏水的圖案化柔性插入層，在避免了半透明器件平均可見(jiàn)光透過(guò)率損失的同時(shí)為器件提供了長(zhǎng)期的防水性能。通過(guò)印刷制備的基于PM6/ICBA:Y6體系的大面積有機(jī)光伏窗戶具有高達(dá)13.34%的穩(wěn)定的光電轉(zhuǎn)換效率，并具有優(yōu)異的防水性能。由于圖案化柔性插入層的超疏水和封裝特性，外層玻璃破損的有機(jī)光伏窗戶在室溫下的模擬降雨條件下放置1200 h后，其光電轉(zhuǎn)換效率仍保持在初始效率的70.6%。

  以上相關(guān)成果以“Pseudo-Planar Heterojunction Organic Photovoltaics with Optimized Light Utilization for Printable Solar Windows”為題發(fā)表在《Advanced Materials》上。論文的第一作者為南昌大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院博士生劉思奇，共同第一作者為南昌大學(xué)物理與材料學(xué)院碩士生李豪杰。通訊作者為南昌大學(xué)/江西師范大學(xué)陳義旺教授，共同通訊作者為南昌大學(xué)胡笑添研究員和中南大學(xué)張霖教授。

  上述研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、江西省“雙千計(jì)劃”科技創(chuàng)新高端人才項(xiàng)目，以及江西師范大學(xué)氟硅能源材料與化學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、北京大學(xué)長(zhǎng)三角光電科學(xué)研究院等支持。

  論文原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202201604