华南理工大学Joule: 可隔热可发电的新型半透明光伏窗户薄膜

【引言】

半透明有机太阳电池（ST-OPV）在市场方面具有显著优势，可整合到玻璃薄膜中在房屋幕墙、汽车窗户及植物温室外壁上应用。此外，还可利用有机材料颜色可调的特性制造不同颜色的太阳电池，增加了此类电池薄膜的建筑应用美观度。目前市面上已有多种玻璃隔热膜，可贴于建筑玻璃上控制太阳光透过，隔热控温，减少房屋温控能耗。这些隔热膜通常使用极薄金属等材料，控制长波红外线及短波紫外线的通过，从而达到在冬天保持室内温暖、在夏天隔热降温的目的。半透明有机太阳电池的许多设计思路与商用隔热膜非常相似，例如选择性透过可见光，而将其他部分光线吸收利用，从而产生电能等。

【成果简介】

近日，华南理工大学叶轩立教授联合黄飞教授开发出同时具备发电和隔热效果的半透明薄膜太阳电池，这类电池薄膜不仅具有高效的光电转换效率，而且其隔热效果也极为优异。团队创新性地选择了一类吸收边延伸至900nm的窄带隙非富勒烯受体作为在光吸收层中捕获近红外光的关键组分。近红外光子的吸收不仅可使太阳电池产生额外的光电流，同时也赋予此电池器件隔热功能。另外，超薄金属银电极也对红外光具有反射作用，可帮助重新反射部分近红外光回到吸光层，进一步增强器件的光电转换效率及隔热效果。为了尽可能多地吸收利用近红外光，还可在银电极后添加光学调控层。团队通过使用高折射系数材料和低折射系数材料交替沉积，形成光学调控微腔，可在保持整体器件可见光透过率不变的条件下，进一步降低红外光透过率，从而再次增强太阳电池器件薄膜的隔热效果。通过上述材料和器件光学调控等方法，团队实现了在光电转换效率7%-9%范围及可见光透过率20%-25%范围内可调的条件下，电池薄膜的隔热率均达到75%以上，最高可达90%，这为有机太阳电池技术在发电和节能方面的实际应用铺平了道路。相关研究成果“Heat-Insulating Multifunctional Semitransparent Polymer Solar Cells”为题发表在Joule上。

【图文导读】

图一半透明太阳电池的光电转换性能表征

（A）半透明太阳电池的模拟光电流数据（假设IQE = 100％）。

（B）电池J-V曲线特性

（C）电池透射光谱

（D）不同银电极厚度器件的外量子效率（EQE）谱图

图二半透明太阳电池的颜色参数及半透明性能示意图

（A）在CIE 1931xyY色标图上表示不同银电极厚度的电池色坐标

（B）通过半透明电池薄膜拍摄的数码照片，以显示颜色效果和透明度

图三通过热成像图片比较半透明太阳电池的隔热性能

图四通过光学调控层进一步提升隔热性能，同时维持可见光透过率不变

（A）制造的半透明电池器件（器件A）和具有布拉格光学调控层的半透明电池器件（器件B）的结构示意图

（B）器件A和器件B的模拟和实验透射光谱图

（C）器件A和器件B的可见光透射率和隔热率

【小结】

此研究工作开发了一种同时具备发电和隔热双重功能的半透明太阳电池。研究利用在近红外波段有吸收的新型材料作为吸光层，在保持器件可见光透过率不变的情况下，增强近红外波段光的吸收利用，从而增强器件光电转换效率，同时赋予器件优异的隔热效果。经测试发现，此研究中开发的半透明电池薄膜的隔热效果已达商业化应用水平。特别地，增加了光学调控层还可进一步提升器件薄膜的隔热效果。此工作提出的多功能太阳电池的新概念真正将研究和实际应用联系起来，产学结合，为有机太阳电池推向市场提供了新方向。

文献链接：“Heat-Insulating Multifunctional Semitransparent Polymer Solar Cells”(Joule, 2018,DOI: 10.1016/j.joule.2018.06.006)

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