高性能半透明有机太阳能电池的实现途径

doi:10.7503/cjcu20230166

摘要/Abstract

摘要：

半透明有机太阳能电池(STOSC)能够同时发电和透光, 是极具应用前景的新能源技术, 未来可应用于建筑物的窗户和屋顶实现光电建筑一体化, 以及农业温室和交通工具等多种领域. 然而, 半透明电池的能量转换效率（PCE）和平均可见光透过率（AVT）的均衡调谐仍是一个问题. 理想的高性能半透明有机太阳能电池需要平衡与提高AVT和PCE, 即在选择性吸收和利用非可见光谱的光子转换为电能的同时, 透过可见光谱区域光子实现透光, 并保持良好的审美观感和颜色纯度. 本文从活性层调控策略、器件工程和多功能STOSC等多个角度, 讨论和总结了实现高性能STOSC的途径, 为推进该技术的研究和发展提供有益的参考和建议.

关键词: 半透明, 有机太阳能电池, 窄带隙材料, 器件工程, 光学工程

Abstract:

Semitransparent organic solar cells（STOSCs）， capable of generating electricity and transmitting light simultaneously， are a highly promising new energy technology with potential applications in building-integrated photovoltaics for windows and roofs， as well as in agricultural greenhouses and transportation vehicles. However， the balance between the power conversion efficiency（PCE） and average visible light transmittance（AVT） of STOSCs remains a challenge. Ideal high-performance STOSC requires a balance between increasing the AVT and PCE， which involves selectively absorbing and utilizing non-visible spectrum photons for energy conversion while transmitting visible spectrum photons to maintain aesthetic appeal and color purity. In this review， we discuss and summarize various approaches to achieving high-performance STOSC from the perspectives of active layer tuning strategy， device engineering and multifunctional STOSCs. Our findings provide valuable insights and recommendations to promote the research and development of this promising energy technology.

Key words: Semitransparent, Organic solar cell, Narrow bandgap material, Device engineering, Optical engineering

中图分类号:

O631

TrendMD:

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图/表 12

Fig.1 Standard solar spectrum for AM 1.5G and photopic response curves(A) and schematic diagram of approaches to achieving high⁃performance STOSC(B)

Fig.2 Molecular structures of representative donor and acceptor materials

Table 1 Photovoltaic and optical performance parameters of recently reported high-performance semitransparent organic photovoltaics

Active layer		PCE（%）	AVT（%）	LUE（%）	CRI	Ref.
Tandem	FAPbBr _x Cl_3-_x & PCE10∶6TIC⁃4F	10.55	52.91	5.66	68	［4］
Ternary	PM6∶BTP⁃eC9∶L8⁃BO	11.44	46.79	5.35	85.39	［30］
	PM6∶BTP⁃eC9∶L8⁃BO	12.95	38.67	5.0	73.61	［9］
	PCE⁃10∶BT⁃CIC∶TT⁃FIC	8.0	44.2	3.56	87	［31］
	PM6∶Y6⁃BO∶2PACz	11.3	30.0	3.39	—	［32］
	PBOF∶BTP⁃eC9∶L8⁃BO	10.01	30.48	3.05	—	［28］
	PM6∶Y6∶DTNIF	13.49	22.58	3.04	—	［33］
	PM6∶Y6∶BTTPC	12.3	23.45	2.88	—	［34］
	PBDB⁃T∶Y1∶PTAA	11.7	20.1	2.35	—	［35］
	PM6-Ir1∶BTP⁃eC9∶PC71BM	16.44	12.75	2.09	93.1	［36］
	PCE10∶J71∶IHIC	9.37	21.4	2.00	97	［37］
	PBT1⁃S∶PCE10∶PC71BM	9.2	20	1.84	—	［38］
	J52∶IEICO⁃4F∶PC71BM	7.75	19.9	1.54	—	［39］
Binary	PCE10⁃2F∶Y6	10.01	50.05	5.01	—	［10］
	PCE⁃10∶A078	10.8	45.7	5.0	86	［11］
	PCE10⁃BDT2F⁃0.8∶Y6	10.85	41.08	4.46	76.35	［29］
	PM6∶L8⁃BO	12.8	34.55	4.42	87	［40］
	PCE10∶H3	8.38	50.09	4.19	76.85	［13］
	PCE10∶FOIC	10.3	37.4	3.85	—	［41］
	PBT1⁃C⁃2Cl∶Y6	9.1	40.1	3.65	—	［42］
	PCE10∶IHIC	9.77	36	3.51	—	［14］
	PM6∶Y6	12.88	25.6	3.3	97.6	［24］
	PCE10∶IUIC	10.2	31	3.16	—	［15］
	PBNS∶IT⁃4F	9.83	32	3.14	—	［43］
	PCE10∶BTCIC	7.1	43	3.05	91	［16］
	PM6∶ITIC⁃4F	11.20	26.22	2.93	97.5	［24］
	PCE10∶ACS8	11.1	28.6	2.89	84	［18］
	PCE10∶IEICO⁃4F	4.06	70.6	2.86	86.3	［44］
	PCE10∶ATT2	7.7	31	2.39	—	［45］
	PCE10∶IEICO⁃4F	9.48	23.7	2.24	—	［46］
	PCE10∶IEICO⁃4Cl	8.38	25.6	2.14	—	［19］
	PCE10∶FNIC2	9.51	20.3	1.93	83	［17］
	J71∶IT⁃M	7.23	25.05	1.81	79.2	［24］
	PBDTTT⁃E⁃T∶IEICO	6.5	25	1.62	—	［47］
	J71∶IEICO⁃4F	4.45	27.26	1.21	61.0	［24］

Fig.3 Multi⁃component strategy（A） Normalized absorption spectra of PCE10， COi8DFIC and IEICO-4F， and photographs of the STOSC devices［48］；（B） normalized absorption spectra of PM6， Y6， BTTPC and Y6∶BTTPC films， and photographs of the STOSC devices［34］；（C） normalized absorption spectra of FC-S1， PM6 and Y6-BO， photopic response curves， and photographs of the STOSC devices［52］.（A） Copyright 2018， Royal Society of Chemistry；（B） Copyright 2020， Wiley⁃VCH；（C） Copyright 2022， Wiley⁃VCH.

Fig.4 Adjusting donor∶acceptor(D∶A) ratio strategy[42]（A）—（F） AFM height images（1 μm×1 μm） for PBT1⁃C⁃2Cl∶Y6 blend films with different weight ratios；（K） transmittance spectra of PBT1⁃C⁃2Cl∶Y6 based ST⁃OSCs with various D/A weight ratios. Copyright 2020， Wiley⁃VCH.

Fig.5 Adjusting donor∶acceptor(D∶A) ratio strategy（A） Schematic diagrams of active layers without or with PTAA［35］；（B） normalized absorption spectra of PM6∶L8-BO∶BTP-eC9 blend films at varied D∶A weight ratios of 1∶1.3， 1∶2， and 1∶3， and the yellow area represents the photopic response of human eyes；（C） J⁃V curves and （D） EQE and transmittance spectra of the ternary opaque and ST-PV devices at varied D∶A weight ratios of 1∶1.3， 1∶2， and 1∶3；（E） dependence of PCEs on the varied D∶A weight ratios of 1∶1.3， 1∶2， and 1∶3（the error bars represent the standard deviations）［9］.（A） Copyright 2020， Wiley⁃VCH；（B）—（E） Copyright 2022， Wiley⁃VCH.

Fig.6 Sequential deposition strategy（A） Schematic illustrations of semitransparent devices based on BHJ and PPHJ structures［57］；（B） variation of PCE and AVT verses active layer thickness based on BHJ and SD structure devices；（C） transmission spectra of ST-OPVs fabricated using the conventional BHJ method and our SD method；（D） photographs of the BHJ and SD devices［58］.（A） Copyright 2022， Wiley⁃VCH；（B）—（D） Copyright 2021， Wiley⁃VCH.

Fig.7 Transparent electrode optimization（A） Conceptual diagram for the growth mechanism of the Ag film with the PEI nucleation inducer［66］；（B） growth diagram of the pristine Ag layer（up） and Au/Ag hybrid layer（down） on MoOx［67］；（C， D） AFM morphology∶13 nm Ag on PFN-Br（C）， ZnO NP/PEI（D）；（E， F） scanning electron microscopy（SEM） morphology∶13 nm Ag on PFN-Br（E）， ZnO NP/PEI（F）；（G） the absorption profile of the STOSCs with different interfacial layers， i.e. PFN-Br， ZnO NP and ZnO NP/PEI［13］；（H） sheet resistance of films and （I） transmission spectrum of evaporated Ag on ligand-optimized Ag NPs［40］.（A） Copyright 2015， Springer Nature；（B） Copyright 2017， Wiley⁃VCH；（C）—（G） Copyright 2021， Wiley⁃VCH；（H， I） Copyright 2022， Wiley⁃VCH.

Fig.8 Interlayer modification strategy and tandem strategy（A—C） STOSCs with Bis⁃FIMG［68］（A）， PF3N⁃2TNDI［71］（B） and 2PACz［32］（C） as interfacial layers；（D） schematic device architecture of selective absorbing tandem ST⁃PV design［4］. Copyright 2019， Wiley⁃VCH.

Fig.9 Optical manipulation strategy

Table 2 Optical engineering of semitransparent organic solar cells

Device structure	LUE（%）	Ref.
ITO/PEDOT∶PSS/PM6∶L8⁃BO∶BTP⁃eC9 /Bis⁃FIMG/Ag/TeO₂	5.0	［9］
ITO/PEDOT∶PSS/PCE10∶H3/ZnO NP/PEI/Ag/TeO₂	4.06	［13］
（LiF/TeO₂）⁴ /glass/ITO/PEDOT∶PSS/PM6∶BTP⁃eC9∶L8⁃BO（0.8∶1∶0.2）/PDINN/Ag（12nm）/（LiF/TeO₂）⁸/LiF	5.35	［30］
MgF₂/SiO₂ /ITO/ZnO/PCE10∶A078/MoO3/Ag（16nm）/CBP/MgF₂/CBP/MgF₂	5.0	［11］
MgF₂ /ITO/PEDOT∶PSS/PCE10⁃BDT2F⁃0.8∶Y6/PDINO/Ag（15 nm）/MoO₃	4.46	［29］
MgF₂/SiO₂ /ITO/ZnO/NSM/PCE‐10∶BT‐CIC∶TT‐FIC/MoO₃/Cu⁃Ag（16nm）/（CBP/MgF₂）²（SiN_xSiO₂）^x	3.56	［31］
ITO/PEDOT∶PSS/PM6∶Y6 BTTPC/PFN⁃Br/Ag（14nm）/LiF/MoO₃	2.88	［34］
ITO/PEDOT∶PSS/PCE10∶IFIC⁃i⁃F/Bis⁃FIMG/Ag（16 nm）/（LiF/TeO₂）²	2.15	［68］
ITO/PEDOT∶PSS/PM6∶m⁃BTPPhC6∶BO⁃4Cl/PFNBr/Ag（14nm）/ MoO_3/LiF/MoO₃	3.58	［80］
ITO/PEDOT∶PSS/Active layer/Au（0.8 nm）/Ag（15 nm）/（MoO₃/LiF）^{3 pairs}	2.00	［37］

Fig.10 Multi⁃functional STOSCs（A） STOSCs with Neutral color and high CRI index［37］；（B） colorful STOSCs［86］；（C） heat-insulating functional STOSCs［9］；（D） greenhouse STOSCs［87］；（E） see-through power windows［80］.（A） Copyright 2019， Wiley⁃VCH；（B） Copyright 2020， American Chemical Society；（C） Copyright 2022， Wiley⁃VCH；（D） Copyright 2021， Cell Press；（E） Copyright 2022， American Chemical Society.

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