半透明有機太陽能電池的案例
蘇州大學在半透明有機太陽能電池領域取得新突破
最終，半透明有機太陽能電池的顯色指數接近100、平均透過率超過20%，且光電轉換效率達到了9.37%。更為重要的是，該種策略具有很好的普適性，不但適用于不同的活性層體系，還適用于制備大面積、柔性半透明器件。
圖1(a) 半透明有機太陽能電池的器件結構和材料分子結構；(b)不同光活性層材料的吸收光譜；(c)不同共混膜的透過光譜；(d)半透明有機太陽能電池的透過光譜; (e)不同半透明有機太陽能電池在模擬光源AM 1.5G下的色坐標; (f)透過不同半透明有機太陽能電池拍攝的數碼照片。
從圖1可以看出，相比于兩元體系，三元體系具有更好的光吸收互補特性，有效抑制了在600-780 nm波長范圍內透過光的波動性，且三元體系的共混膜展現出更好的顯色性。進一步通過引入介質鏡精確反射380-600 nm范圍透過的光，可降低該區域的透過率，從而獲得較為水平（均一）的透過光譜。基于三元體系和介質鏡協同效應下制備的半透明有機太陽能電池具有很好的顯色性，顯色指數接近100，其色坐標接近模擬標準光源AM 1.5G。透過該半透明電池拍攝不同的畫面能夠很好保留原有的色彩。
圖2(a) 采用刮涂法制備的三元半透明有機太陽能電池以及模擬其替代玻璃應用在窗戶上；(b) 10 cm×10 cm的半透明有機太陽能電池其不同位置上的透過光譜（圖片上位置的顏色與透過曲線顏色一致）； (c)不同區域的9個半透明有機太陽能電池的效率統計圖。
為了進一步推動半透明有機太陽能電池走向實際應用，研究人員探索了該策略在大面積刮涂法中的適用性。如圖2所示，采用刮涂法制備的大面積半透明有機太陽能電池同樣具有優異的顯色性，通過測試和統計不同區域的透過光譜和器件效率發現，大面積電池表現出了很好的均一性和重復性，為在光伏窗戶上的應用提供了可能。他們還拓展了半透明有機太陽能電池在柔性電池中的應用。
展開 江西師范大學陳義旺教授、南昌大學諶烈教授研究團隊AFM：在用于高效半透明有機太陽能電池的窄帶隙聚合物給體取得新進展
與無機半導體和鈣鈦礦材料相比，有機半導體具有不連續的吸收特性，這使得它們在制備半透明器件方面具有獨特的優勢。基于有機半導體材料的半透明有機太陽能電池可用于外窗玻璃、建筑立面等建筑表面，實現多樣化的能量轉換途徑。通常，半透明有機太陽能電池實際應用的臨界平均可見光透射率應大于25%，但由于光吸收和透射率之間的權衡，而高的平均可見光透射率總是會導致能量轉換效率的顯著下降。而對于理想的半透明有機太陽能電池器件，它應該充分利用不可見光子來最大化能量轉換效率，并最大化可見光子的透過以獲得高的平均可見光透射率和顯色指數。具有良好近紅外光子吸收的窄帶隙的半導體材料，顯示出巨大潛力。然而由于活性層材料固有的窄帶隙以及窄帶隙聚合物給體與目前高性能的受體（如IT-4F和Y6等）能級不匹配，大多數半透明有機太陽能電池表現出低的開路電壓，這被證明是限制器件性能提高的關鍵因素。因此，合理設計活性層材料以在不破壞透明度的情況下提高開路電壓和器件效率對于實現半透明有機太陽能電池的實際應用至關重要。
首先，針對這一難題，南昌大學陳義旺/諶烈教授研究團隊提出了一種新的設計概念，即使用具有低能級和重疊近紅外吸收的給體與受體組合，用于高性能的半透明有機太陽能電池。將氯、硫和氟官能原子引入到聚合物PCE10中，以降低所得聚合物給體的能級，得到了三個聚合物PCE10-2Cl、PCE10-SF和PCE10-2F。這些聚合物給體都顯示出比PCE10更低的能級。其中，與非富勒烯受體IT-4F具有重疊吸收的窄帶隙聚合物給體PCE10-2Cl不僅獲得了顯著提升的開路電壓，而且實現了與具有互補吸收的給-受體組合相當的光電流。
展開 實現這種有機太陽能電池創紀錄性能
基于全窄帶隙(ALL-NBG)半導體的半透明有機太陽能電池
Science：南開大學有機太陽能電池效率破紀錄！
南開大學化學學院陳永勝教授領銜的團隊在有機太陽能電池領域研究中獲突破性進展。他們設計和制備的具有高效、寬光譜吸收特性的疊層有機太陽能電池材料和器件，實現了17.3%的光電轉化效率，刷新了目前文獻報道的有機/高分子太陽能電池光電轉化效率的世界最高紀錄。這一最新成果讓有機太陽能電池距離產業化更近一步。介紹該研究的論文在線發表于國際頂級學術期刊《科學》（Science）上。
有機太陽能電池的柔性特征和本工作主要結果
有機太陽能電池產業前景可期
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有機太陽能電池是解決環境污染、能源危機的有效途徑之一，其在質輕、柔軟、半透明、可大面積低成本印刷、環境友好等方面都遠遠優于傳統太陽能電池，被認為是具有重大產業前景的新一代綠色能源技術。然而，實現高效率的太陽能電能轉化是有機太陽能電池研究的核心難題。而這一難題能否解決也直接決定著有機太陽能電池能否走出實驗室、走進人類的實際生產生活。
提高光電轉化效率瓶頸何在？
展開 
《AFM》：具有優異單位重量功率性能的超柔性有機太陽能電池！
有機光伏材料的高吸收系數和良好的延展性使電池非常薄(通常低于1um)，并顯示出與超薄聚合物箔基板的良好兼容性，這引起了極大的關注。
來自中科院寧波材料所的研究人員，在這里報道了超薄和超輕的有機太陽能電池（OSC），總厚度小于3um，在柔韌性和拉伸能力方面具有優異的機械性能。該OSC實現了15.5%的穩定功率轉換效率(PCE)和前所未有的32.07 W/g的單位重量功率(重量為4.83g·m-2)，這是迄今為止報道的基于超薄箔襯底的性能最好的OSC之一。三元策略引入了PC71BM分子非晶態構象的第三組分，可以在不降低電子遷移率的情況下，略微減少結晶和聚集，從而降低活性層的剛性和脆性。活性層延展性的增加顯著提高了器件的機械靈活性，在200次拉伸-壓縮循環后，PCE保持率超過90%。此外，該三元器件在充滿N2的手套箱中儲存時表現出優異的穩定性，使得PCE即使在1000小時后仍保持超過95%的初始效率。這種超柔性和超輕質光伏箔構成了將電源集成到可延展電子紡織品的重要一步。相關論文發表在Advanced Functional Materials。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202102694
圖1.（a）超薄柔性OSC的器件結構。(b)包裹在直徑為0.12毫米的銅線上的超柔性器件的照片
圖2.(a)JSC和Voc對光強的依賴性。b)二元和優化的基于PC71BM的三元器件的Jph–Ve?曲線。
圖3.a)二元和三元混合膜的形態演變示意圖。
圖4.a)附著在預拉伸彈性體上的可拉伸超薄OSC的示意圖。
展開 蘇州大學柔性有機太陽能電池
蘇州大學李永舫院士團隊的李耀文教授等人利用銀納米線對導電聚合物的組分進行調控，并與銀網格柔性基底復合制備了低面電阻、高透過率的新型柔性復合電極，基于此電極的柔性有機太陽能電池效率超過12%。近日，該成果以“Breaking 12% efficiency in flexible organic solar cells by using a composite electrode”為題，在線發表于Science China Chemistry。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1007/s11426-018-9430-8
有機太陽能電池(OSCs)活性層材料的可彎曲特性使其在柔性太陽能電池領域展現出了巨大的應用潛力。然而，商業化的銦錫氧化物（ITO）柔性電極由于易脆性、面電阻高、透過率低等缺點限制了其在柔性有機太陽能電池中的應用。為了解決這一問題，發展具有優良機械彎曲性、低面電阻、高透過率的新型柔性透明電極顯得尤為重要。
基于銀納米線（AgNWs）的導電薄膜不僅具有優良的機械性能，而且其光學和電學性能優異，成為極具應用前景的柔性透明電極材料。但是，粗糙度大、附著力弱，形貌不穩定等缺點依然限制了其在高性能柔性有機太陽能電池中的應用。
展開 華南理工《AFM》：實現18.7%效率的串聯有機太陽能電池！
然而，串聯有機太陽能電池(TOSCs)中的最大光電流通常是通過增加次電池的厚度來獲得的，這會導致這種器件的復合增強，從而影響其功率轉換效率(PCE)。
來自華南理工大學等單位的科研人員開發了一種高效的互連層(ICL)，其結構為ZnO納米粒子：PEI/PEI/PEDOT：PSS，其使得TOSCs具有很好的重復性。研究發現，通過增加有源層中非富勒烯受體的比例，可以減小這類TOSCs的最佳前子單元厚度。本工作中使用的非富勒烯受體的吸收系數遠大于前次電池中的給體吸收系數，當受體比例增加時，給體的吸收減少可以與受體的吸收減少很好地互補，從而導致即使薄膜較薄也能顯著提高整體吸收。另一方面，非富勒烯受體在前次電池中的吸收系數遠大于施主的吸收系數，當受體的比例增加時，施主的吸收減少可以得到很好的補償，從而即使薄膜較薄也能顯著地提高整體吸收。結果表面，該效應減小了前次電池的最佳厚度，并抑制了其電荷復合。相關論文發表在Advanced Functional Materials。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202103283
總的來說，在這項工作中，構建了一種高效的非富勒烯TOSC，其中ICL由ZnO納米粒子：PEI/PEI/PEDOT：PSS組成。該ICL具有良好的互連性能，使TOSCs具有很好的重復性。通過增加前次電池中非富勒烯受體TfIF-4Cl的比例，可以使TOSCs獲得最大光電流的最佳前次電池厚度減小到一個較低的值。該策略在不顯著增加前次電池厚度的情況下提高了前次電池的光子利用率，從而有效地抑制了有源層厚度增加時前次電池中發生的電荷復合。
展開 華南理工：有機太陽能電池中界面偶極作用機理的深入研究！
有趣的是，當FPyBr吸附在ITO表面時，由于分子本身的偶極和電荷轉移形成的吸附偶極相反，ITO的功函數并沒有明顯降低，意味著FPyBr可能不適合應用于倒裝有機太陽能電池。其作用機理示意圖見圖4。值得一提的是，分子模擬的結果和實驗結果具有良好的一致性，這種界面行為研究方法對于界面修飾材料作用機理研究和新材料的研發與應用有重要參考意義。
圖1、XPS表征結果
圖2、PFN的界面偶極作用機理
圖3、FPyBr在Ag表面的最穩定結構
圖4、含陰離子界面材料FPyBr的作用機理
*感謝論文作者團隊對本文的大力支持。
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17.7％！迄今這種有機太陽能電池最高值
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展開 有機太陽能電池中最高數值之一
(OSC)以其柔性、輕質、半透明和溶液可加工性等優點引起了人們的廣泛關注，其器件性能也取得了突飛猛進的進步，這主要得益于有源層材料，特別是非富勒烯受體(NFA)分子設計方面的創新，它可以有效地調節光電性能和分子堆積。
一種高效有機太陽能電池
，特別是窄禁帶受體的快速發展的推動下，有機太陽能電池(OSCs)取得了前所未有的發展。
Joule：高效有機非富勒烯聚合物太陽能電池器件壽命接近10年
【引言】
基于非富勒烯受體的有機太陽能電池近年來發展迅速。與富勒烯及其衍生物相比，非富勒烯受體具有更易調節的物理化學性質，更有效的光譜利用，以及更小的能量損耗等優勢。ITIC及其多種衍生物（圖一）作為非富勒烯受體材料近年來受到廣泛關注。通過分子結構調控ITIC能級來提高電池能量轉換效率是近年來的研究熱點。協同調節受體和給體的能級已經成功將電池能量轉換效率提高到13%以上。
對于有機太陽能電池的大規模工業化生產和應用，必須綜合考慮能量轉換效率、器件穩定性以及合成難度。因此，在研究分子能級調控對其能量轉換效率影響的同時，也應該關注其對穩定性和合成成本的影響。最近，德國埃爾蘭根-紐倫堡大學Christoph J. Brabec教授的研究團隊從能量轉換效率、器件穩定性和合成復雜度三個方面研究了ITIC及其系列衍生物的工業化可行性，以及分子調控對電池壽命的影響。研究表明，ITIC端基和側鏈修飾對器件穩定性有極大影響，該系列材料中的穩定體系有望達到接近10年的器件使用壽命。最后，作者通過分析工業化指標，指出降低合成成本對于該系列材料的工業化應用前景至關重要，該工作發表在Joule上。文章第一作者為杜曉艷博士，通訊作者為李寧博士和Christoph J. Brabec教授。
圖1. 給體和受體材料的分子結構
【圖文導讀】
該工作中的太陽能電池由程序控制自動進行穩定性測試。測試條件為干燥氮氣氛圍（氧氣和水含量均小于0.5ppm）使用白光LED燈照射，期間溫度控制在30°C。結果顯示（圖二），ITIC分子結構調控對電池穩定性影響極大。
展開 
Mater: >10％效率﹑全溶液加工和無金屬氧化物的柔性有機太陽能電池
【引言】
由于高柔性，重量輕，成本低以及可印刷和卷對卷式加工的優勢，有機太陽能電池（OSC）已經引起了巨大的關注。常見的柔性OSC是一種由柔性透明電極（FTE），低功函金屬修飾的陰極和活性層組成的三明治結構。該領域的最終目標是通過印刷和卷對卷等工藝，制造高效率柔性和低成本的光伏組件。印刷的柔性器件要求其組成材料可液體加工，且與剛性器件的效率相媲美。因此，應該努力提高柔性器件的性能，并升級柔性OSC的制造工藝，以便實際應用。低溫下的全溶液處理方案非常適合印刷，卷對卷加工和刮涂，并且還可以降低其成本。在OSC中，最常用的電極是金屬摻雜的金屬氧化物（MMO），例如銦摻雜的氧化錫（ITO）。然而，ITO在塑料基板上面臨機械脆性和導電性問題。此外，金屬氧化物膜通常在高溫下通過真空濺射進行處理，這些問題使得MMO膜成本昂貴且與印刷和卷對卷加工不兼容。
【成果簡介】
近日，中科院寧波材料所新能源技術研究所葛子義研究員和樊細副研究員（共同通訊作者）聯合香港理工大學徐賓剛教授和嚴鋒教授報道了一種高效的全溶液加工的無金屬氧化物柔性OSC，其中PEDOT:PSS/PET基材在室溫（≈20℃）下進行甲磺酸（CH4SO3）處理。這種溫和酸處理誘導出光滑和均勻的PEDOT:PSS薄膜，且具有高光學和電學特性。與H2SO4和HNO3的處理不同，室溫溫和甲磺酸處理避免了甲磺酸腐蝕破壞下層的塑料基材，因此它與塑料基材相兼容。此外，除了必須熱沉積的鋁陰極之外，柔性OSC器件的所有部件都可以在不超過100℃的溫度下進行全溶液加工，這是一種簡潔的方法，并與印刷和卷對卷加工兼容。全溶液加工柔性器件的VOC為0.93 V，JSC為15.49 mA cm-2，填充因子（FF）為70.27％，其最高能量轉換效率（PCE）為10.12％。
展開 Nature Energy：通過協同富勒烯和非富勒烯受體實現具有分級形貌的高效有機三元太陽能電池
【前言】
采用多種光吸收材料來拓寬吸收光譜的三元有機光伏(TOPVs)被認為是實現高能量轉換效率(PCE)的重要手段。TOPV的性能在很大程度上依賴于能夠形成匹配的電子結構和合適的微觀形貌的材料組合來產生和傳輸電荷。盡管最近有一些成功的實踐和報道，但如何在復雜動力學平衡的指導下操縱多組分共混物的形貌，以最大光生電流并減少不同來源的電壓損耗通道，這一基本挑戰遠未得到滿足。因此，使用合適的材料和后處理過程來實現可以最大化電荷產生和提取的理想形態，是提高器件效率的重要途徑。由此出發，結合富勒烯和非富勒烯受體(NFAs)可能是有利的，因為富勒烯衍生物(PCBM)是良好的電子傳輸介質，而NFAs具有良好的光吸收和高度可調的能級排列。此外，由于NFAs體系的電荷分離過程中的驅動力較小，相應的器件得到的開壓損耗[定義為Eloss = Egopt ? qVoc (其中Egopt是光帶隙，Voc是開路電壓，q是基本電荷)]很低。
【成果簡介】
近日，中科院化學所的朱曉張教授、瑞典林雪平大學的張鳳玲教授以及上海交通大學劉烽教授（共同通訊）聯合在Nature Energy上發表文章，題為：High-efficiency small-molecule ternary solar cells with a hierarchical morphology enabled by synergizing fullerene and non-fullerene acceptors。作者通過將小分子給體與富勒烯和非富勒烯受體相結合，實現了三元太陽能電池13.20?±?0.25%的高能量轉換效率，這形成了由PCBM組成的電荷運輸高速公路和精細的非富勒烯小相分離路徑組成的分級形貌。
展開 :自組織法制備的倒置型有機太陽能電池的能量轉換效率創新高！
【研究亮點】
1.首次在自組織法（self-organization method）制備的倒置型有機太陽能電池（OSC）中采用廉價的聚乙烯吡咯烷酮（PVP）作為陰極界面層，表現出超強的穩定性。
2.自組織法制備的倒置型OSC的能量轉換效率首次達到14.0%。
【成果簡介】
中科院侯劍輝（通訊作者）課題組在自組織法制備的倒置型OSC中采用PVP作為陰極界面層和PBDB-TF:IT-4F作為活性層，能量轉換效率達到13.3%，和逐步法（step-by-step method）制備的倒置型OSC相當，在光照下工作600小時后仍超過原來的30%，穩定性優異。他們還將自組織法應用在其他材料為活性層的倒置型OSC中，得到了目前為止最高的能量轉換效率。這些成果表明了PVP作為陰極界面層在自組織法制備的倒置型OSC中具有巨大的潛力。這些成果已于近日發表在材料領域著名期刊Advanced Materials上。
【圖文導讀】
圖1.（a）純ITO和涂覆了PVP的ITO的光透過率譜圖。PVP層的厚度不超過5nm。兩條曲線完全重合，表明PVP層的透明性很好。內圖是它們的原子力顯微鏡高度圖，證明了PVP層太薄而不能使ITO表面平滑。
（b）它們的紫外光電子能譜譜圖。如圖所示，后者的逸出功是3.5eV，比前者低了大約0.7eV，有助于提高ITO的電子提取能力。
展開 香港科技大學顏河教授課題組：氟化端基助力高效全聚合物有機太陽能電池“四部曲”
基于全聚合物的有機太陽能電池（all-PSC）是近期的光伏熱點課題，其中端基的選擇能調控聚合物受體的光電性能及活性層形貌特征，是提高器件效率的重大因素之一。因此，調整端基取代位置、了解分子與器件的構效關系，從而提升電池效率是科研工作者的重點研究方向。近期，香港科技大學化學系顏河教授課題組開發了一系列氟原子取代的端基，并應用于聚合物受體的合成。團隊深入研究了氟原子的個數、取代位置、骨架規整化、多組分策略等方面對all-PSC器件效率的影響，取得了一系列重要成果，相關工作發表于Adv. Energy Mater. (IF = 25.245)，Angew. Chem. Int. Ed. (IF = 12.959)，Adv. Funct. Mater. (IF = 16.836) 及Joule (IF = 29.155) 等。
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Advanced Energy Materials：氟化端基聚合物受體助力全聚合物太陽能電池效率突破14%
近年來，盡管端基氟化已在開發高效小分子受體（SMA）方面取得了巨大的成功，但該策略尚未用于聚合物受體的開發。
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