陈义旺团队最新Adv. Mater.: 有机准平面异质结结构实现具有优化光利用率的可印刷太阳能窗

文章亮点

1、通过引入准平面异质结(pseudo-planar heterojunction, PPHJ)结构成功实现了可印刷的太阳能窗，证明了PPHJ结构在制备半透明有机太阳能器件(ST-OSCs)中的优势。

2、PPHJ结构有效提高了平均可见光透光率(AVT)，并通过降低光损耗而提高了半透明器件的功率转化效率(PCE)。

3、在封装窗口时引入超疏水图案化软植入层(PSIL)，提供了长期防水性能的同时没有损失透明性。

4、基于PM6/ICBA:Y6 PPHJ结构半透明器件的PCE达14.62%，AVT达到20.42%，在室温模拟降雨条件下放置1200 h后，单边破碎的太阳能窗的PCE保留了初始效率的70.6%

前沿导读

半透明型有机太阳能电池(ST-OSCs)由于质轻、柔性与半透明特性，在储能和视觉功能结合领域具备独特优势，因而在建筑窗户或汽车玻璃的集成应用中显示出了巨大潜力。太阳能窗要求器件实现高PCE的同时具备良好的透明度。器件的透明度一般由380-780nm的平均可见光透光率(AVT)来评估。随着高性能光伏材料的不断开发，ST-OSCs的PCE迅速提高，但其AVT仍不满足需求。

器件内部的光损耗与对AVT的要求，导致常规ST-OSCs的光利用率不足。其中主要的光能损耗来源于反射损耗与伴生吸收。对于常规的体异质结(BHJ)器件结构而言，主要采用给受体自发组装实现纳米级相分离，以提供理想的互穿网络形态，然而器件中主要的光学损耗来源于大量D/A界面产生的伴生吸收，因此，BHJ结构可能是ST-OSCs中AVT值较低的主要原因之一。

与BHJ处理技术相比，准平面异质结(PPHJ)结构的给体与受体层采用分别制备，有利于大面积成膜。PPHJ结构的D/A界面相对较少，有利于减少光的散射和伴生吸收。相关研究表明，PPHJ结构的器件活性层中的垂直相分离更为明显，有利于电荷的转移。并且，活性层底部给体材料的积累能够有效减少ST-OSCs的反射损耗。这些特征表明，PPHJ结构可以在器件厚度可控条件下有效提高AVT并减少D/A界面。

图文速读

图1. (a) 刮刀涂布示意图；基于(b) BHJ和(c) PPHJ结构的半透明器件示意图；(d)活性层材料的化学结构；(e)单边玻璃破碎后的防水横截面；(f) ST-OSC的数码照片，以及在AM1.5G模拟太阳辐射照明下万用表测量的电流；(g)基于PM6/ICBA:Y6的三元太阳能窗的照片。

图2. 基于 PM6:ICBA:Y6 (BHJ)和PM6/ICBA:Y6 (PPHJ)结构器件的(a) J-V特性曲线；(b)活性层薄膜的归一化吸收曲线；(c) BHJ和(d) PPHJ活性层薄膜的动态X射线光电子能谱(DXPS)光谱；(e) BHJ和PPHJ活性层薄膜的接触角测量；基于(f) BHJ和(g) PPHJ结构的三元共混薄膜的AFM图像；基于(h)BHJ和(i)PPHJ结构的活性层TEM图像；基于(j)BHJ和(k)PPHJ结构的三元共混薄膜的2D-GIWAXS图。

图3. ST-OSCs的(a) J-V特性曲线与(b) 透射光谱；(c) BHJ和(d) PPHJ薄膜的指数-N、K随波长的变化曲线；基于(e)BHJ和(f)PPHJ结构的光电场模量平方分布；(g)PM6:Y6 (黑点)和PM6/ICBA:Y6 (红点)的颜色坐标表示；基于(h)BHJ和(i)PPHJ结构的的能量分布比例谱。

图4. 基于PTB7-Th:ICBA:F8IC、PTB7-Th/ICBA:F8IC、PM6:ICBA:IT-4F和PM6/ICBA: IT-4F的ST-OSCs的(a) J-V特性曲线和 (b) 透射光谱。(c) 活性层中氟元素分布的二次离子质谱(SIMS)。基于(d)PTB7-Th:ICBA:F8IC,(e)PTB7-Th/ICBA:F8IC, (f)PM6:ICBA:4F-ICBA,(g)PM6/ICBA:IT-4F 的ST-OSCs的光电场模量平方分布。基于(h)PTB7-Th:ICBA:F8IC,(i)PTB7-Th/ICBA:F8IC,(j)PM6:ICBA:IT-4ICBA和(k)PM6/ICBA:IT-4F的ST-OSCs的能量分布比例谱。

图5. 大面积ST-OSC的(a) J-V特性曲线; (b) 有/无图案弹性薄膜的透光光谱，以及通过图案封装(左)和空气(右)拍摄的照片; (c) 光学显微镜(OM)图像的图案封装膜; (d)过去两年发表的部分文章中ST-OSCs的性能; (e) 模拟降雨实验示意图; (f) 具备封装无弹性体、非图案弹性体和图案弹性插入层的大面积半透明器件的归一化PCE随浸渍时间的变化。

总结

本文中，作者同时改进了半透明有机太阳能电池的PCE与AVT，通过PPHJ实现了可打印的太阳能窗。通过材料的选择与活性层形貌的优化，基于PM6/ICBA:Y6结构的ST-OSCs最大PCE为14.62%，AVT为20.42%。此外，PPHJ结构有效地改善了PM6的结晶，促进了电荷转移和激子分离，并抑制了Y6的聚集，优化了器件相分离，有助于提高光伏性能，并验证了PPHJ结构可以广泛应用于半透明器件的制备。本文还开发了具有超疏水PSIL的可扩展太阳窗，在模拟降雨条件下实现了13.34%的PCE和优异的长期防水性能。这种针对ST-OSCs的协同打印封装策略使其在建筑光伏集成与光伏汽车领域展现了巨大的潜力。