港理工团队研发半透明有机太阳能电池

在碳中和、碳达峰的背景下，作为一种可持续的能量转换工具，有机太阳能电池在近年来备受关注。这是一种以有机小分子、或聚合物作为光活性层的光电转换器件，主要由光活性层、两侧电极和电荷传输层组成。截至目前，有机太阳能电池单节器件的光电转化效率已经超过19%。

相比传统的太阳能电池材料比如硅、砷化镓、钙钛矿等，虽然有机太阳能电池的效率略低，但其具备无毒、质轻、价低、透明度较高、可兼容大面积印刷等优点。

在一些重要的应用场景里，它的优势是其他类型太阳能电池所无法替代的。特别是在物联网、人机交互、自供电传感等领域，有机太阳能电池具有巨大的潜力。

作为一种可穿戴型能源器件，研发者在制备有机太阳能电池时，必须尽可能减少用户佩戴时的影响，包括视觉体验和触觉体验等。这就要求器件必须尽可能地具备较高的柔韧性和透明度。

然而，如何同时实现高拉伸性和透明度依然挑战不小。在这之前，人们通常采用预应变、或屈曲等结构工程，来制备可拉伸有机太阳能电池。

但是，这些方法不仅非常复杂，并且所制备的器件存在拉伸性有限、以及不均匀变形等缺点。

而一款出色的本征可拉伸有机太阳能电池，它的每个功能层都应该同时具备可拉伸性和机械稳定性。然而，传统的高性能材料电极尤其是氧化铟锡和金属等电极，由于其固有的机械脆性，导致它们无法满足这类电池的要求。

此外，基于真空辅助系统沉积的电极，存在成本昂贵、耗时长、柔性基板不兼容等缺点，并且会受到有限腔室的限制，这阻碍了该类电池的大面积制备。

相比之下，采用溶液法印刷制备的方法，则可以很好地克服上述缺陷。然而，迄今为止基于全溶液法制备的太阳能电池效率，远远低于常规器件的效率。

针对这一系列的挑战，香港理工大学教授李刚团队认为，要实现本征可拉伸的半透明有机太阳能电池，关键问题在于实现高性能的上下电极材料（尤其是上电极材料）。

在制备这类电池时，通常会使用可印刷银纳米线。其具有出色的导电性、透明度和拉伸性。但是，要想在有机太阳能电池中获得高性能的可印刷银纳米线电极，依旧存在较大挑战：

一方面，为了实现高导电的可印刷银纳米线，对其网格需要采取高温退火、等离子体、化学焊接或机械压力等后处理步骤，而这会对已有的功能层产生负面影响；

另一方面，直接在传输层上涂覆可印刷银纳米线，会带来严重的接触问题，这会极大地影响机械稳定性和光伏性能。

为此，李刚课题组设计一种基于全溶液法的“钢筋混凝土”结构透明电极，来对复合材料的透明上电极AAA（（AgNWs）@AZO）进行复合。

AAA电极，由AZO（铝掺杂氧化锌）纳米颗粒包裹的可印刷银纳米线网格构成，故具有较高的透明度和耐拉伸性。

该团队发现相比纯可印刷银纳米线网格，由于AAA电极拥有“钢筋混凝土”结构，故其展现出更有效的电荷传输和收集能力、以及强大的机械稳定性。

基于溶液处理法、以及AAA上电极制备的半透明刚性器件，能和传统的基于真空蒸发超薄银金属的器件相媲美，其光电转化效率为12.83%，平均透光率为26.7%。

此外，课题组将可印刷银纳米线嵌入热塑性聚氨酯，以此作为本征可拉伸下电极，借此实现了优异的电导率、光学透过性和机械稳定性。

而通过优化有机太阳能电池的光活性层，该团队最终造出了本征可拉伸半透明的有机太阳能电池，并实现了10.90%的创纪录光电转换效率。

值得注意的是，这款太阳能电池的所有功能层，均采用溶液法制备而来。更重要的是，经过500次10%拉伸释放循环后，依旧能保持76.5%的初始效率。同时，上下电极框架也被成功用于本征可拉伸有机发光二极管。

在应用前景上，该成果主要聚焦于柔性太阳能电池在可穿戴能源应用。具体表现为：它可被作为移动能源驱动微电子设备，例如智能手机、心脏起搏器、自供电生物传感器等。