高效的近紅外光半透明非富勒烯受體有機光伏電池

有機太陽能電池（Organic Photovoltaics，OPVs）是採用有機導電材料來收集太陽能的一種電池，又稱塑料太陽能電池。與傳統硅太陽能電池相比，有機太陽能電池的一個顯著優勢就是可以製作成半透明甚至透明器件，並應用於智能手機、電腦等攜帶型電子設備及建築物表面。該半透明太陽能電池可將日常採光與太陽能發電融為一體，有望作為高樓大廈外層裝飾、車輛擋風玻璃等替代品。除了具備傳統玻璃的功能之外，該類材料又增加了光電轉化功能，無疑對拓展太陽能電池的應用範圍具有重要的意義。

美國密西根大學的Stephen Forrest教授研究團隊與蘇州大學的廖良生教授研究團隊合作，利用人類肉眼無法識別的近紅外光線成功開發出具有高透光率、高光電轉化效率的半透明太陽能電池。該太陽能電池在43%的可見光透過下仍然可以獲得7.1%的光電轉化效率，表現出廣闊的市場應用前景。若發展良好，該半透明太陽能電池有望代替傳統玻璃鑲嵌在建築物窗戶上，實現智能化窗戶的設想。

研究人員利用氯原子的吸電子作用，合成了一種具有強近紅外吸光能力的受體分子BT-CIC。該分子採用以苯並二噻吩（BDT）為基本單元的梯形共軛骨架，2-(2,3-二氯-3-氧代-1H-茚-1-亞基)丙二腈為吸電子單元，在保證平面性的同時加強了分子內電荷的轉移，從而推動吸收光譜的紅移。與傳統的氟取代化合物相比，氯取代化合物合成簡便、價格便宜，更有利於光伏材料的商業化。經測定，該分子的能隙低至1.3 eV，吸收邊緣達到950 nm。在選擇性吸收近紅外光的條件下，基於該分子的普通非透明太陽能電池器件的效率可達到11.2%，同時具備較高的開路電壓（0.70 V）和短路電流（22.5 mA/cm2）。

特別需要指出的是，與傳統的近紅外太陽能電池在近紅外光部分光電轉化效率較低不同，該電池在近紅外光部分表現出很高的光電轉化效率。在650-850 nm的區間內，該器件的外量子效率可達到75%以上，在有機太陽能電池中十分罕見。當使用透明電極時，該器件在43%的可見光透過下，表現出大於7%的光電轉化效率，CIE為（0.29, 0.32），顯色指數為91。這一研究結果為克服高效近紅外光伏材料短板，加速開發高效半透明以及疊層有機光伏器件提供了新的思路。

圖一. BT-IC和BT-CIC的化學結構以及紫外可見光譜。

圖二.（a）基於PCE-10:PC71BM (1:1.5, w/w)、PCE-10:BT-IC (1:1.5, w/w)和PCE-10:BT-CIC (1:1.5, w/w)有機光伏器件的電流密度-電壓特性曲線；（b）外量子效率的特性曲線。

圖三. 半透明太陽能電池器件。

相關研究工作發表在Journal of the American Chemical Society 上。第一作者為目前正在美國密西根大學從事博士後研究的李永璽博士。

該論文作者為：Yongxi Li, Jiu-Dong Lin, Xiaozhou Che, Yue Qu, Feng Liu, Liang-Sheng Liao and Stephen R. Forrest

High Efficiency Near-Infrared and Semitransparent Non-Fullerene Acceptor Organic Photovoltaic Cells

J. Am. Chem. Soc., 2017, 139, 17114, DOI: 10.1021/jacs.7b11278

來源：X-MOL資訊

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