科学家研发彩色半透明有机太阳电池，为制备有机太阳电池提供支持

“本研究为半透明有机太阳电池开辟了一个新方向，为研发彩色半透明有机光伏材料与器件带来了新思路。证明在半透明有机太阳电池中，超宽带隙聚合物给体具有重要价值。”华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室段春晖教授表示。

图 | 段春晖（来源：段春晖）

在该团队的新论文里，他们提出了如下想法：将吸收区间靠近紫外区域的超宽带隙聚合物给体材料，用于制备高性能的半透明有机太阳电池。

其还给出了设计这类材料的基本思路，通过组合近紫外超宽带隙聚合物给体与近红外受体，可以有效避免 All-近红外体系存在的一些问题。

在应用前景上，半透明有机太阳电池的主要应用方向是与建筑物集成，兼具采光和发电功能的窗户对于大众颇具吸引力。同时，可以利用有机太阳电池具有的颜色可变化的特点，满足人们对于视觉美感的追求。

在高度城市化的时代背景下，城市建设迅猛发展，玻璃幕墙被大量地应用在办公楼、酒店、大型公共建筑中。未来，将具有不同颜色的彩色半透明有机太阳电池应用于高楼大厦的玻璃幕墙，是一个非常有潜力的应用方向。

（来源：Advanced Functional Materials）

近日，相关论文以《用于高效彩色半透明有机太阳能电池的 2.20 eV 带隙聚合物供体》（A 2.20eV Bandgap Polymer Donor for Efficient Colorful Semitransparent Organic Solar Cells）为题发表在 Advanced Functional Materials 上 [1]。研究生谢东生、张月、袁熙越为论文共同一作，段春晖教授为通讯作者。

图 | 相关论文（来源：Advanced Functional Materials）

奋战科研“无人区”

据介绍，有机太阳电池具有重量轻、可溶液加工等优点，在制备大规模柔性器件方面具有广阔的应用前景，是极具潜力的下一代光伏技术。

其中，半透明有机太阳电池拥有建造舒适外观的彩色半透明窗户、实现建筑一体化的前景，被认为是生产清洁能源的有效解决方案。

在有机太阳电池中，活性层即吸光层起着吸收光、并将其转化为电的主要功能。由电子给体和电子受体共混而成的活性层，一直是人们研究的重点对象之一。

原则上，想要在半透明有机太阳电池中实现高的光利用率，其活性层需要尽可能地吸收近紫外和近红外区域的光子，同时允许可见光的透过。

在以往的半透明有机太阳电池研究中，研究人员主要将给体和受体的吸收区间都集中在近红外区域，以达到减少可见光区域吸收的目的。

这种给/受体吸收区间都在近红外区域的材料组合可能会带来一些问题，包括可见光区域的寄生吸收、近红外区域的竞争吸收、以及给/受体材料能级难以调控等问题。

而该团队很早就开始研究“超宽带隙合物给体”这一方向。这类材料除能用于制备高性能的半透明有机太阳电池之外，还能与中间带隙的受体材料搭配，在室内光伏方向也有巨大潜力。

研究中，课题组发现这类超宽带隙聚合物给体，必须同时满足多个基本要求，才能实现较高的器件性能。这些要求包括：与受体匹配的能级、合适的聚集能力、较高的迁移率等。

据悉，在本次研究的材料设计上，由于超宽带隙聚合物给体的相关报道非常少，能够用于参照的设计方法也非常缺乏。

为此他们从最基本的原理与概念出发，提出了几条设计思路，包括：构筑给体-给体型聚合物骨架以抑制分子内电荷转移效应；引入强芳香性的砌块以抑制聚合物的醌式共振效应；利用非共价相互作用减小聚合物骨架扭转，保持良好的迁移率和聚集能力等。

基于这些思路，他们设计了给体材料，并将其用于半透明有机太阳电池的研究。

（来源：Advanced Functional Materials）

接下来则是材料表征和器件集成，这两个步骤息息相关。有机太阳电池的光电转换效率可谓十分关键，只有细致地对器件进行优化，才能获得较高的器件性能。

针对超宽带隙聚合物给体这一体系，研究团队一开始只想通过减少可见光区间的吸收实现高透过率的目标。期间，他们参考了一些文献资料，通过调整活性层中给/受体的质量比提升器件性能。

实验中，他们意外地发现，随着给/受体质量比例的改变，活性层薄膜表现出不同的颜色。

这是一个非常意外的收获，其分析这是因为超宽带隙聚合物给体的吸收蓝移到了一定程度，半透明有机太阳电池在可见光区域内存在两个透过窗口，分别位于 400 470 nm（紫光至蓝光）和 550 650 nm（黄光至红光），通过改变活性层中给体/受体质量比，可以调控这两个窗口的相对透过强度，从而实现具有视觉美感的彩色半透明有机太阳电池。

前面提到，利用超宽带隙聚合物给体来制备半透明有机太阳电池的想法，此前鲜有人报道，几位负责该课题的研究生找不到参考文献，对这一方向的信心也不太够。因此，段春晖通过不断交流增强学生的信心，最终收获了本次成果。

而下一步的研究，则主要包括两个方面：

首先，他们打算设计吸收区间更加蓝移的高性能聚合物给体。预计未来的挑战比较大，原因在于学界围绕降低材料的光学带隙，已经提出很多创造性想法，但是如何增大带隙则是一个“无人区”。不过，迎接未知也正是科研的魅力所在。

其次，他们也会尽可能地利用一些光学调控手段，通过器件工艺的优化实现更高的器件性能，积极探索半透明有机太阳电池的商业应用，同时希望与擅长半透明器件工艺研究的团队加强合作。

（来源：Advanced Functional Materials）

留学荷兰，师从荷兰最高科学奖得主

值得注意的是，段春晖既是华南理工大学的老师，也是这里的校友。早年，在华南理工大学获得博士学位后，来到荷兰埃因霍温理工大学进行博后研究。

在荷兰，其参与了一个叠层有机太阳电池的欧盟研究项目，当时他的任务是制备宽带隙材料。他意识到这是一个很好的涉入器件研究的机会，叠层器件比单层器件难做很多，除了对器件工艺上的要求，还涉及到很多光学模拟。为此，段春晖主动融入到团队，学习了很多叠层器件和光学模拟的知识。

对于这段经历他表示：“我的光伏器件研究方面的经验积累，是在埃因霍温理工大学 René A. J. Janssen 教授实验室开始的。”

雷内 A.J. 杨森（René A. J. Janssen）教授是荷兰皇家科学院院士，曾荣获荷兰最高科学奖。其从化学到器件物理的功底都非常深厚，在化学系和物理系都有实验室和研究团队。

“他的科研模式深深地影响了我，我在日后独立从事科学研究时也十分注重学科交叉。”他说。回国后，段春晖组建了一个学科高度交叉融合的研究团队，由化学、材料、半导体、光电技术等不同专业背景的成员组成，主要开展有机合成-材料表征-器件集成的全链条研究。

另外，他表示从华南理工大学的博士生到教授、从学生到老师，使命和任务会有很大不同。做学生时，主要考虑如何完成自己的课题。他说：“我个人对科研有很强的兴趣，做学生时不需要老师的驱动。但是做老师后，更需要培养学生的科研兴趣和科研能力。目前，我的课题组精神面貌非常好，在他们身上看到了蓬勃的朝气和科研的传承，这也是我当老师之后成就感和满足感的主要来源之一。”

参考资料：

1.Xie, D., Zhang, Y., Yuan, X., Li, Y., Huang, F., Cao, Y., & Duan, C. (2022). A 2.20 eV Bandgap Polymer Donor for Efficient Colorful Semitransparent Organic Solar Cells.Advanced Functional Materials, 2212601.