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半透明有機(jī)光伏（ST-OPVs）在建筑光伏一體化，如光伏窗戶和光伏大棚領(lǐng)域的應(yīng)用受到人們廣泛關(guān)注。不同于傳統(tǒng)無(wú)機(jī)材料，有機(jī)材料的結(jié)構(gòu)化吸收使得半透明有機(jī)光伏可以實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)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(guò)率（AVT）。

2016年，中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所有機(jī)固體實(shí)驗(yàn)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(bǔ)吸收”策略，實(shí)現(xiàn)了基于小帶隙非富勒烯電子受體的高效半透明有機(jī)光伏（Adv. Mater. 2017,29, 1606574, J Am Chem Soc. 2020, 142, 11613），推動(dòng)了半透明有機(jī)光伏領(lǐng)域的發(fā)展。

為實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)的近紅外光譜利用，該團(tuán)隊(duì)通過(guò)氮原子摻雜發(fā)展了一個(gè)光譜響應(yīng)更紅的非富勒烯受體，與寬帶隙電子給體匹配，二元器件實(shí)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(shí)現(xiàn)了近紅外互補(bǔ)吸收，在不損失開路電壓的情況下實(shí)現(xiàn)了短路電流密度的提升，基于三元體系的半透明有機(jī)光伏首次在超過(guò)20%的AVT下實(shí)現(xiàn)了超過(guò)14%的光電轉(zhuǎn)換效率，相關(guān)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(shí)現(xiàn)高性能半透明光伏。

最近，團(tuán)隊(duì)開展了半透明光伏的理論研究。從精細(xì)平衡理論出發(fā)，通過(guò)建立理想的“給受體近紅外區(qū)互補(bǔ)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(bǔ)吸收”策略的科學(xué)性；2、半透明的有機(jī)光伏最優(yōu)帶隙遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于常規(guī)不透明光伏最優(yōu)帶隙；3、材料設(shè)計(jì)對(duì)于提升半透明器件的性能至關(guān)重要?；诖耍芯繄F(tuán)隊(duì)通過(guò)醌式共振效應(yīng)設(shè)計(jì)了一個(gè)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(yīng)達(dá)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(jī)光伏中首次超過(guò)30 mA cm-2的短路電流密度和超過(guò)1000 nm非富勒烯光伏中最高的光電轉(zhuǎn)換效率（13.32%）。通過(guò)器件優(yōu)化，半透明器件在35%的平均可見光透過(guò)率下取得了9.37%的光電轉(zhuǎn)換效率，實(shí)現(xiàn)了3.33%的LUE，是基于非光學(xué)修飾半透明器件中的最高值，有利于實(shí)現(xiàn)低成本加工和有機(jī)半導(dǎo)體的本征柔性特性。此外強(qiáng)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(shí)，獲得了超過(guò)相同透過(guò)率商用3M隔熱窗膜的隔熱性能。相關(guān)成果發(fā)表在Adv. Mater.上。

圖1半透明光伏性能理論預(yù)測(cè)圖1半透明光伏性能理論預(yù)測(cè)

圖2理論指導(dǎo)的“給受體材料近紅外互補(bǔ)吸收”策略，實(shí)現(xiàn)高效多功能半透明有機(jī)光伏圖2理論指導(dǎo)的“給受體材料近紅外互補(bǔ)吸收”策略，實(shí)現(xiàn)高效多功能半透明有機(jī)光伏