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  有機太陽電池由于具有成本低、重量輕、可制備柔性器件、具有一定透明度等優點，表現出其適合與建筑和電子設備集成的前景。隨后，半透明有機太陽電池由于其在結合儲能和視覺功能方面的獨特優勢，在光伏-建筑一體化和光伏汽車中顯示出巨大的應用潛力，于近年來受到了廣泛關注。有機光伏窗戶應在具有卓越的光電轉換效率的同時，保持良好的透明度以保持其可視性。在過去的十幾年，由于新型高性能活性層光伏材料的不斷升級，半透明有機光伏器件的光電轉換效率隨之迅速提升，但其平均可見光透過率仍不理想。此外，除了良好的光學性能，有機光伏窗戶對于自然環境中的降雨等條件的承受力也是影響其實際應用的一個重要指標。

  由于半透明有機太陽電池器件中透過率的要求和器件內部的光學損失，半透明有機光伏器件的光能利用率是有所不足的。而半透明有機光伏器件內部的光學損失主要是由反射損失和寄生吸收損失組成，如界面層和電極中的能量耗散等。此外，本體異質結結構的活性層薄膜主要依靠給體和受體的自發納米級相分離來提供理想的互穿網絡形貌。因此，本體異質結結構的活性層薄膜中含有大量的會引起的光散射和寄生吸收的D/A界面，從而導致有機太陽電池器件的部分光損耗。因此，本體異質結結構可能是半透明有機光伏器件的平均可見光透過率值較低的主要原因之一。

  針對上述問題，南昌大學/江西師范大學陳義旺教授和胡笑添研究員團隊將準平面異質結策略和封裝工藝相結合，通過降低光學損失成功印刷制備防水性能優異的大面積有機光伏窗戶。首先，為了增加有機太陽電池器件的光電轉換效率，第三組分被加入二元體系中以優化活性層薄膜形貌。其次，制備基于三元準平面異質結結構的半透明有機太陽電池。雖然可能第三組分的加入會使得三元活性層薄膜中出現比二元活性層薄膜中更多的光散射損失，但采用準平面異質結結構可以減少這種光學損失。在基于準平面異質結結構的三元活性層薄膜中，較少的D/A界面和優化后的活性層形貌有效降低了活性層中的光散射和寄生吸收損失，有利于提高半透明有機光伏器件的光能利用率。在準平面異質結結構活性層薄膜底部富集的深藍色的聚合物給體可以有效地減少有機太陽電池器件底部的反射損失。

圖1 （a）刮涂工藝示意圖。基于（b）本體異質結和（c）準平面異質結結構的半透明光伏器件示意圖。（d）活性層材料的化學結構式。（e）單側玻璃破損的封裝半透明光伏窗戶防水示意圖。（f）基于PM6/ICBA:Y6體系的封裝半透明器件浸泡在水中并用萬用表測試其電流照片。（g）PM6/ICBA:Y6體系三元有機光伏窗戶實物照片。

  通過對活性層薄膜垂直方向的元素分布進行定量和定性的測試，并對半透明太陽電池進行光電場模擬，可得到基于準平面異質結結構有利于擴大活性層薄膜中的垂直相分離尺寸，基于其這一結構的半透明有機太陽電池的光學損失小于基于本體異質結結構的半透明有機光伏器件的結論。故而采用準平面異質結策略可在提高半透明有機光伏器件平均可見光透過率的同時提高器件的光電轉換效率。因此，基于PM6/ICBA:Y6體系的準平面異質結結構的半透明有機光伏器件的最高光電轉換效率可達到14.62%，同時其平均可見光透過率高達20.42%。更重要的是，他們通過比較不同體系中基于本體異質結和準平面異質結結構的半透明有機太陽電池的光伏性能，證明了準平面異質結結構在印刷制備半透明有機光伏器件中的普適性。

圖2 半透明有機光伏器件的（a）J-V曲線和（b）透射光譜。基于（c）PM6:ICBA:Y6和（d）PM6/ICBA:Y6體系活性層薄膜的深度X射線光電子能譜。基于（e）PM6:ICBA:Y6和（f）PM6/ICBA:Y6體系的半透明有機太陽電池器件的光電場|E|²分布圖。（g）基于PM6:Y6和PM6/ICBA:Y6體系半透明有機光伏器件的色坐標。基于（h）PM6:ICBA:Y6和（i）PM6/ICBA:Y6結構的半透明有機光伏器件的光能分布比例圖譜。

  為了進一步實現有機光伏窗戶的實際應用，他們在雙層玻璃封裝中加入了超疏水的圖案化柔性插入層，在避免了半透明器件平均可見光透過率損失的同時為器件提供了長期的防水性能。通過印刷制備的基于PM6/ICBA:Y6體系的大面積有機光伏窗戶具有高達13.34%的穩定的光電轉換效率，并具有優異的防水性能。由于圖案化柔性插入層的超疏水和封裝特性，外層玻璃破損的有機光伏窗戶在室溫下的模擬降雨條件下放置1200 h后，其光電轉換效率仍保持在初始效率的70.6%。

  以上相關成果以“Pseudo-Planar Heterojunction Organic Photovoltaics with Optimized Light Utilization for Printable Solar Windows”為題發表在《Advanced Materials》上。論文的第一作者為南昌大學化學化工學院博士生劉思奇，共同第一作者為南昌大學物理與材料學院碩士生李豪杰。通訊作者為南昌大學/江西師范大學陳義旺教授，共同通訊作者為南昌大學胡笑添研究員和中南大學張霖教授。

  上述研究工作得到國家自然科學基金、江西省“雙千計劃”科技創新高端人才項目，以及江西師范大學氟硅能源材料與化學教育部重點實驗室、北京大學長三角光電科學研究院等支持。

  論文原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202201604