輻射發(fā)電：半透明有機(jī)太陽能電池興起

最近，北京大學(xué)工學(xué)院占肖衛(wèi)課題組在強(qiáng)近紅外吸收的稠環(huán)電子受體的分子設(shè)計(jì)及高效半透明太陽能電池的應(yīng)用研究中取得重要進(jìn)展，在材料領(lǐng)域著名期刊《先進(jìn)材料》發(fā)表了3篇論文。

近幾年，半透明太陽能電池在光伏建筑一體化和產(chǎn)能窗戶等領(lǐng)域的美好應(yīng)用前景引起了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛興趣。顧名思義，半透明太陽能電池在吸收光能轉(zhuǎn)化為電能的同時(shí)，能夠讓部分的可見光透過，從而保證一定的透明度。而在各種光伏技術(shù)中，有機(jī)太陽能電池被認(rèn)為最適合制備半透明器件。迄今為止，半透明有機(jī)太陽能電池的研究大多數(shù)集中在透明頂電極，而活性層的研究比較缺乏。半透明有機(jī)太陽能電池的活性層通常是聚合物給體和富勒烯受體。由于富勒烯受體光吸收很弱，基于富勒烯受體的半透明有機(jī)太陽能電池效率普遍較低，單結(jié)電池效率一般在4~6%，疊層電池效率一般在7-8%。

2017年，占肖衛(wèi)課題組提出理想的半透明有機(jī)太陽能電池活性層應(yīng)該具有強(qiáng)的近紅外吸收和較弱的可見光吸收等特性。這種活性層能夠充分利用太陽光譜中近紅外部分的輻射來發(fā)電，而在可見區(qū)保持較高的透明度?；谶@個(gè)理念，他們設(shè)計(jì)并合成了一個(gè)新的具有強(qiáng)近紅外吸收的六并稠環(huán)電子受體材料IHIC，其光學(xué)帶隙為1.38 eV（吸收邊898 nm）。IHIC與廣泛使用的窄帶隙聚合物給體PTB7-Th共混制備半透明有機(jī)太陽能電池，器件的效率為9.77%，可見光區(qū)平均透過率為36%，且具有優(yōu)異的光穩(wěn)定性。工作發(fā)表在Adv. Mater. 2017, 29, 1701308（博士研究生王偉和嚴(yán)岑琪是共同第一作者），發(fā)表后9個(gè)月內(nèi)被引用50余次，入選ESI熱點(diǎn)論文和ESI高被引論文，Wiley網(wǎng)站Materials Views China以“高效率半透明有機(jī)太陽能電池”為題進(jìn)行介紹評述。

在此基礎(chǔ)上，他們設(shè)計(jì)合成了一種基于八并稠環(huán)噻吩為核、氟代氰基茚酮為端基、強(qiáng)近紅外吸收的稠環(huán)電子受體材料FOIC，其光學(xué)帶隙為1.32 eV（吸收邊942 nm），吸收邊比六并稠環(huán)電子受體材料IHIC紅移44 nm。FOIC與PTB7-Th共混制備半透明有機(jī)太陽能電池，可見光區(qū)平均透過率為37.4%，效率提高到10.3%，這是半透明有機(jī)太陽能電池的世界最高效率（Adv. Mater. 2018, 30, 1705969，博士生李騰飛是第一作者）。Wiley網(wǎng)站Materials Views China以“高性能稠環(huán)噻吩電子受體光伏材料”為題進(jìn)行介紹評述。

之后，他們設(shè)計(jì)合成了一系列的強(qiáng)近紅外吸收的稠環(huán)電子受體材料，系統(tǒng)比較了給電子稠環(huán)核的大小對材料吸收光譜、電子結(jié)構(gòu)、薄膜形貌和器件性能的影響，發(fā)現(xiàn)拓展稠環(huán)核是實(shí)現(xiàn)開路電壓和短路電流同時(shí)提高的有效分子設(shè)計(jì)策略（Adv. Mater. 2018, 30, 1706571，博士后代水星是第一作者）。

本研究工作得到國家自然科學(xué)基金等的資助。

北大博雅塔照片（a和b分別為相機(jī)鏡頭被半透明太陽能電池遮擋前后）