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半透明有機光伏（ST-OPVs）在建筑光伏一體化，如光伏窗戶和光伏大棚領域的應用受到人們廣泛關注。不同于傳統(tǒng)無機材料，有機材料的結(jié)構化吸收使得半透明有機光伏可以實現(xiàn)太陽能光譜的選擇性利用，兼顧光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）和可見光平均透過率（AVT）。

2016年，中國科學院化學研究所有機固體實驗室研究員朱曉張課題組提出了“給受體材料近紅外區(qū)互補吸收”策略，實現(xiàn)了基于小帶隙非富勒烯電子受體的高效半透明有機光伏（Adv. Mater. 2017,29, 1606574, J Am Chem Soc. 2020, 142, 11613），推動了半透明有機光伏領域的發(fā)展。

為實現(xiàn)更強的近紅外光譜利用，該團隊通過氮原子摻雜發(fā)展了一個光譜響應更紅的非富勒烯受體，與寬帶隙電子給體匹配，二元器件實現(xiàn)了0.15 eV的非輻射能量損失，低于傳統(tǒng)硅電池的0.18 eV。作為第三組分摻入高效材料組合中，受體實現(xiàn)了近紅外互補吸收，在不損失開路電壓的情況下實現(xiàn)了短路電流密度的提升，基于三元體系的半透明有機光伏首次在超過20%的AVT下實現(xiàn)了超過14%的光電轉(zhuǎn)換效率，相關成果發(fā)表在Angew. Chem. Int. Ed.上，該研究表明寬帶隙給體和窄帶隙受體的材料組合的透光率仍然偏低且難以有效調(diào)控，不利于實現(xiàn)高性能半透明光伏。

最近，團隊開展了半透明光伏的理論研究。從精細平衡理論出發(fā)，通過建立理想的“給受體近紅外區(qū)互補吸收”的EQE模型，得出如下結(jié)論：1、半透明光伏器件的光利用效率（LUE，LUE=PCE×AVT）由給受體共同決定，這印證了“給受體材料近紅外區(qū)互補吸收”策略的科學性；2、半透明的有機光伏最優(yōu)帶隙遠遠小于常規(guī)不透明光伏最優(yōu)帶隙；3、材料設計對于提升半透明器件的性能至關重要?；诖?，研究團隊通過醌式共振效應設計了一個超窄帶隙非富勒烯受體，基于其與窄帶隙電子給體匹配的光伏器件的光譜響應達到1075 nm （1.15 eV），接近了半透明光伏的最優(yōu)帶隙。受益于拓展的近紅外吸收，不透明器件獲得了有機光伏中首次超過30 mA cm-2的短路電流密度和超過1000 nm非富勒烯光伏中最高的光電轉(zhuǎn)換效率（13.32%）。通過器件優(yōu)化，半透明器件在35%的平均可見光透過率下取得了9.37%的光電轉(zhuǎn)換效率，實現(xiàn)了3.33%的LUE，是基于非光學修飾半透明器件中的最高值，有利于實現(xiàn)低成本加工和有機半導體的本征柔性特性。此外強近紅外吸收的半透明器件還具有良好的隔熱效率（IRR），在發(fā)電的同時，獲得了超過相同透過率商用3M隔熱窗膜的隔熱性能。相關成果發(fā)表在Adv. Mater.上。

圖1半透明光伏性能理論預測圖1半透明光伏性能理論預測

圖2理論指導的“給受體材料近紅外互補吸收”策略，實現(xiàn)高效多功能半透明有機光伏圖2理論指導的“給受體材料近紅外互補吸收”策略，實現(xiàn)高效多功能半透明有機光伏