文章信息：

光谱调控实现半透明有机太阳能电池光利用率突破5.5%

第一作者：张叶帆

通讯作者：唐建新，李艳青，陈敬德

第一单位：苏州大学

研究背景：

建筑光伏一体化系统既可作为建筑结构的一部分，又可作为发电设施，近年来受到越来越多的关注。半透明有机太阳能电池（ST-OSCs）在该领域有着很大的潜力，可应用于智能窗户、温室大棚等场景。目前，ST-OSCs存在的主要问题是对可见光高透明度的要求与吸收光子进行能量转换的需求相互制约导致光利用率（LUE）不高。现有研究通过窄带隙受体拓宽了ST-OSCs近红外吸收光谱提升了能量转换效率（PCE）并通过改善超薄金属电极成膜减少了光学损耗提高了可见光透过率（AVT）。一些研究已经开始从光学工程的角度出发调控ST-OSCs的光谱。但是简单的减反射结构无法满足ST-OSCs在不同波段的光谱需求，而分布式布拉格反射镜等结构无法覆盖近红外全波段，对窄带隙ST-OSCs的调控效果有待提高。因此发展在宽光谱具有选择性调控效果的光学结构是十分必要的。

文章简介：

基于此， 苏州大学唐建新教授团队 在国际知名期刊 Advanced Energy Materials 上发表文章 “Optically Enhanced Semitransparent Organic Solar Cells with Light Utilization Efficiency Surpassing 5.5%”.

该工作针对ST-OSCs宽波段光谱选择性调控的问题，基于光学理论设计和机理研究，提出了一种在人眼响应区域内具有高透过率，在区域外具有高反射率的光谱选择性电极。通过ZnS和MgF2多层薄膜匹配超薄银电极的导纳，实现精确的光学调控，将原本平滑的透过光谱改变为梯形曲线以满足ST-OSCs在不同波段的需求。在集成蛾眼减反层后，具有光谱选择性电极的ST-OSCs在可见光波段获得44.3%透过率的同时PCE仍保持有12.6%，从而使光利用率超过5.5%。在应用于PCE10:COTIC-4F超窄带隙ST-OSCs时，将光利用率从1.8%提高到了2.5%，提升率达到38.9%。此外，该光谱选择性电极也具有优秀的机械稳定性，适用于柔性ST-OSCs。该工作为ST-OSCs光谱选择性调控提供了理论设计基础和新的思路。

图1. SA, DA, TA电极的模拟和实测光学性能

图2. ST-OSCs器件光谱与光伏性能

图3. ST-OSCs器件模拟电场分布与吸收密度分布

图4. ST-OSCs光谱优化及集成蛾眼减反射层最优器件性能

图5. 柔性ST-OSCs与窄带隙ST-OSCs器件性能。

本文要点：

1. 针对ST-OSCs光利用率低的问题，基于光学导纳理论提出了一种光谱选择性结构的新设计思路。

2. 通过超薄银，ZnS和MgF2的多层结构实现了具有可见光波段高透射，近红外全波段高反射性质的光谱选择性电极。

3. 结合蛾眼减反层，ST-OSCs可见光平均透过率和能量转换效率分别达到44.3%和12.6%，最终光利用率超过5.5%。

文章链接：

Optically Enhanced Semitransparent Organic Solar Cells with Light Utilization Efficiency Surpassing 5.5%

https://doi.org/10.1002/aenm.202400970

通讯作者简介：

唐建新教授简介。

苏州大学功能纳米与软物质研究院教授、博士生导师。主要从事有机和钙钛矿发光显示器件在平板显示和固体照明领域的应用研究，有机和钙钛矿光伏电池器件结构、光电转换过程、结构调控的研究以及有机异质结界面的电子态结构、载流子输运过程、瞬态电致发光、载流子复合过程动力学的研究。发表SCI论文270余篇，论文他引1万余次，授权发明专利25项，撰写英文专著2部(章)。主持和参与国家重点研发计划、国家自然科学基金、江苏省等国家级/省部级项目20余项。入选国家级重点人才计划、国家优青、科技部中青年科技创新领军人才、江苏省“333高层次人才培养工程”第二层次等。作为第一完成人，获江苏省科学技术一等奖、教育部自然科学奖二等奖、江苏省青年科技奖等。