叶轩立:同时具备光能发电和隔热效果的半透明太阳电池薄膜

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研究亮点：

1.   半透明薄膜太阳电池可同时具备发电和隔热的双重功能。

2.   构建光学衍射结构，进一步增强电池薄膜的隔热效果。

3.   提出并实现了与日常生活相关、切实可行的多功能太阳电池方案。

太阳能电池技术发展的重要目标是与应用市场结合，而半透明有机太阳电池在市场方面具有显著优势，可整合到玻璃薄膜中在房屋幕墙、汽车窗户及植物温室外壁上应用。另外，其有机材料颜色可调的特性也增加了此类电池薄膜的美观度。

目前市面上已有多种玻璃隔热膜，可贴于建筑玻璃上控制太阳光透过，隔热控温，减少房屋温控能耗。这些隔热膜通常使用极薄金属等材料，控制长波红外线及短波紫外线的通过，从而达到室内控温的目的。对于某些特殊场合，还可以通过引入多层光学调控层以实现隔断特定波长的太阳光线的作用。

因此，多功能玻璃膜对建筑物的制热/制冷及照明能耗具有重要影响。半透明有机太阳电池的许多设计思路与商用隔热膜非常相似，例如，选择性透过可见光，而将其他部分光线吸收利用，从而产生电能。

有鉴于此，华南理工大学叶轩立团队与黄飞团队开发出同时具备光能发电和隔热效果的半透明太阳电池薄膜，在光电转换效率7%-9%范围及可见光透过率20%-25%范围内可调的条件下，电池薄膜的隔热率均达到75%以上，最高可达90%。                           

若要实现高性能半透明太阳电池，在选择光吸收材料时，必然要求其尽可能多地透过可见光（380nm-780nm），并对除可见光外的其它波段光进行吸收转化。团队创新性地使用了一类在近红外波段有吸收的光吸收材料，得到的电池器件半透明性能优良，且视觉上呈现浅蓝色，其在建筑美学上的应用也值得考虑。

由于所选择的吸光材料只是增加了近红外波段吸收，而可见光波段吸收与其它高性能吸光材料几乎无异，因而吸收近红外光子产生的额外光电流会使得电池性能显著提高。团队在光学模型指导下进行器件优化工作，获得了具有突破性进展的高性能半透明太阳电池器件，证明了选择窄带隙新型受体材料作为半透明太阳电池光吸收材料的优越性。这一材料设计理念对未来半透明太阳电池材料的选择具有指导意义。

红外线是产生热量的主要来源，这里所采用的吸光材料对近红外波段的光进行了吸收利用，显而易见，这类透光性能同时也赋予此电池器件隔热功能。热成像图片的显著温度差异及隔热膜测试仪表明，此半透明太阳电池器件的隔热性能已经与当今市场上通用的太阳隔热膜在同一水平。并且器件隔热率可在75%-90%范围内可调，可满足不同场合下的隔热膜应用需求。

值得注意的是，超薄层金属银也对红外光具有良好的反射作用，同时选择性透过可见光。这一红外反射效果也帮助重新反射部分近红外光回到吸光层，有利于吸光层对红外光再次吸收利用，进一步增强器件的光电转换效率及隔热效果。

尽管如此，单层金属银电极的光反射作用还是十分有限，如果想要尽可能多地吸收利用近红外光，可在银电极后添加光学调控层。团队通过使用高折射系数材料和低折射系数材料交替沉积，形成光学调控微腔，在保持整体器件可见光透过率不变的条件下，进一步降低红外光透过率，从而再次增强太阳电池器件薄膜的隔热效果。

总之，这项研究开发了一种同时具备发电和隔热双重功能的半透明太阳电池，增加了光学调控层还可进一步提升器件薄膜的隔热效果。这项工作提出的多功能太阳电池的新概念真正将研究和实际应用联系起来，产学结合，为有机太阳电池推向市场提供了新方向。

参考文献：

Chen Sun, Ruoxi Xia, Hui Shi, HuifengYao, Xiang Liu, Jianhui Hou, Fei Huang,* Hin-Lap Yip,* Yong Cao.Heat-Insulating Multifunctional Semitransparent Polymer Solar Cells, Joule(2018),

DOI: 10.1016/j.joule.2018.06.006

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2542435118302423