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  與無機(jī)半導(dǎo)體和鈣鈦礦材料相比，有機(jī)半導(dǎo)體具有不連續(xù)的吸收特性，這使得它們?cè)谥苽浒胪该髌骷矫婢哂歇?dú)特的優(yōu)勢(shì)�；谟袡C(jī)半導(dǎo)體材料的半透明有機(jī)太陽能電池可用于外窗玻璃、建筑立面等建筑表面，實(shí)現(xiàn)多樣化的能量轉(zhuǎn)換途徑。通常，半透明有機(jī)太陽能電池實(shí)際應(yīng)用的臨界平均可見光透射率應(yīng)大于25%，但由于光吸收和透射率之間的權(quán)衡，而高的平均可見光透射率總是會(huì)導(dǎo)致能量轉(zhuǎn)換效率的顯著下降。而對(duì)于理想的半透明有機(jī)太陽能電池器件，它應(yīng)該充分利用不可見光子來最大化能量轉(zhuǎn)換效率，并最大化可見光子的透過以獲得高的平均可見光透射率和顯色指數(shù)。具有良好近紅外光子吸收的窄帶隙的半導(dǎo)體材料，顯示出巨大潛力。然而由于活性層材料固有的窄帶隙以及窄帶隙聚合物給體與目前高性能的受體（如IT-4F和Y6等）能級(jí)不匹配，大多數(shù)半透明有機(jī)太陽能電池表現(xiàn)出低的開路電壓，這被證明是限制器件性能提高的關(guān)鍵因素。因此，合理設(shè)計(jì)活性層材料以在不破壞透明度的情況下提高開路電壓和器件效率對(duì)于實(shí)現(xiàn)半透明有機(jī)太陽能電池的實(shí)際應(yīng)用至關(guān)重要。

  首先，針對(duì)這一難題，南昌大學(xué)陳義旺/諶烈教授研究團(tuán)隊(duì)提出了一種新的設(shè)計(jì)概念，即使用具有低能級(jí)和重疊近紅外吸收的給體與受體組合，用于高性能的半透明有機(jī)太陽能電池。將氯、硫和氟官能原子引入到聚合物PCE10中，以降低所得聚合物給體的能級(jí)，得到了三個(gè)聚合物PCE10-2Cl、PCE10-SF和PCE10-2F。這些聚合物給體都顯示出比PCE10更低的能級(jí)。其中，與非富勒烯受體IT-4F具有重疊吸收的窄帶隙聚合物給體PCE10-2Cl不僅獲得了顯著提升的開路電壓，而且實(shí)現(xiàn)了與具有互補(bǔ)吸收的給-受體組合相當(dāng)?shù)墓怆娏�。相�?yīng)的基于PCE10-2Cl：IT-4F的半透明有機(jī)太陽能電池器件，無需任何額外處理即可實(shí)現(xiàn)8.25%的能量轉(zhuǎn)換效率，平均可見光透射率為33%，該工作表明窄帶隙給體和受體與重疊吸收的合理組合是實(shí)現(xiàn)高性能半透明有機(jī)太陽能電池的有效的策略（ J. Mater. Chem. A. 2021, 9(9): 5711-5719. DOI: 10.1039/D0TA11203H)。

  目前，隨著Y系列受體的出現(xiàn)，傳統(tǒng)的不透明有機(jī)太陽能電池能量轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)取得了重大突破。但遺憾的是，廣泛用于高性能半透明有機(jī)太陽能電池的窄帶隙聚合物給體PCE10，無法與Y系列受體形成良好匹配。例如，窄帶隙聚合物給體PCE10與Y6的組合的器件只能實(shí)現(xiàn)低開路電壓(~0.62V)和FF(~62%)，這是由于窄帶隙聚合物給體的高能級(jí)和與Y6差的相容性。

  針對(duì)這一問題，他們?cè)谝郧肮ぷ鞯幕A(chǔ)上再次通過無規(guī)共聚將BDT-2F或者BDT-2Cl單元引入聚合物給體PCE10中，得到了兩個(gè)系列的三元共聚物PCE10-BDT2F-X和PCE10-BDT2Cl-X，通過這種簡(jiǎn)便的三元共聚物設(shè)計(jì)策略來提升Y6與窄帶隙聚合物給體PCE10的匹配。與PCE10相比，所有三元共聚物都表現(xiàn)出更深的能級(jí)、更高的消光系數(shù)、更強(qiáng)的face-on取向以及與Y6更好的相容性。其中，基于PCE10-BDT2F-0.8:Y6的器件實(shí)現(xiàn)了13.80%的能量轉(zhuǎn)換效率，比基于PCE10:Y6的器件高出近40%。相應(yīng)的半透明有機(jī)太陽能電池也實(shí)現(xiàn)了12.00%和10.85%的能量轉(zhuǎn)換效率，平均可見光透射率分別為30.98%和41.08%，并且實(shí)現(xiàn)了4.46%的出色光利用效率，進(jìn)一步證明了器件的能量轉(zhuǎn)換效率和平均可見光透射率之間實(shí)現(xiàn)了更好的平衡。該工作對(duì)促進(jìn)半透明有機(jī)太陽能電池突破提供了簡(jiǎn)便且非常令人鼓舞的策略。

圖1. 聚合物給體PCE10、PCE10-2Cl、PCE10-2F、PCE10-BDT2F-X和PCE10-BDT2Cl-X化學(xué)結(jié)構(gòu)。

圖2. (a)半透明器件的結(jié)構(gòu)示意圖；(b)半透明器件的J-V曲線和；(c)半透明器件的透射光譜以及EQE曲線；(d)透過半透明器件拍攝的建筑照片。

  相關(guān)成果發(fā)表在Advanced Functional Materials （Adv. Funct. Mater. 2021: 2108634. DOI: 10.1002/adfm.202108634）上。論文的第一作者為南昌大學(xué)博士生黃學(xué)祥，共同第一作者為南昌大學(xué)博士生張立福，通訊作者為南昌大學(xué)諶烈教授、江西師范大學(xué)陳義旺教授，此外，感謝江西理工大學(xué)黃斌副教授對(duì)本工作的幫助。

  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202108634