半透明有機(jī)光伏（OPV）電池是一種新興的太陽能收集技術(shù)，具有廣闊的應(yīng)用，例如環(huán)保溫室的屋頂能源供應(yīng)。然而，OPV的運(yùn)行穩(wěn)定性差，對其持續(xù)為設(shè)施提供服務(wù)的可行性提出了挑戰(zhàn)。

在此，美國加州大學(xué)洛杉磯分校楊陽教授，大連理工大學(xué)王敏煥副教授和土耳其馬爾馬拉大學(xué)Ilhan Yavuz教授報道了一種用于半透明OPV的還原層間結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)提高了OPV在連續(xù)太陽輻射下的運(yùn)行穩(wěn)定性。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，半透明OPV的功率轉(zhuǎn)換效率為13.5%，平均可見透過率為21.5%，在連續(xù)照明下具有出色的運(yùn)行穩(wěn)定性（1008 h后保持率為84.8%）。溫室結(jié)果表明，半透明的OPV屋頂有利于作物的成活率和生長，表明本文的方法在應(yīng)對糧食和能源挑戰(zhàn)方面的重要性。

相關(guān)文章以“Achieving sustainability of greenhouses by integrating stable semi-transparent organic photovoltaics”為題發(fā)表在Nature Sustainability上。

近幾十年來，糧食和能源危機(jī)席卷了世界上大多數(shù)發(fā)展中地區(qū)，有效利用農(nóng)田的可持續(xù)技術(shù)是解決問題的關(guān)鍵。特別是溫室，可以通過補(bǔ)償天氣或溫度對農(nóng)作物和蔬菜的波動影響來有效地延長種植季節(jié)。因此，溫室被廣泛認(rèn)為是提高不斷增長的人口糧食產(chǎn)量的有效策略。

然而，用于控制溫室內(nèi)部環(huán)境的電網(wǎng)建設(shè)和電力消耗大大增加了成本，特別是在廣闊的偏遠(yuǎn)地區(qū)。因此，將半透明有機(jī)光伏（OPV）集成到發(fā)電屋頂?shù)闹悄軠厥遥瑢τ诂F(xiàn)代農(nóng)業(yè)來說是非常理想的。

由于有機(jī)材料獨(dú)特的波段結(jié)構(gòu)，OPV能夠選擇性地吸收所需波長的光。近年來，半透明OPV的功率轉(zhuǎn)換效率（PCE）和平均可見光透過率（AVT）均有顯著提高。然而，OPV的穩(wěn)定性似乎是阻礙半透明OPV集成到屋頂廣泛使用的主要問題。因此，一種能夠有效防止電子傳輸層和光活性層之間直接接觸而不妨礙電荷轉(zhuǎn)移的層間策略特別重要。

基于此，本文報告了一種基于還原型L-谷胱甘肽（L-G）用于半透明OPV設(shè)備。該裝置使用PM6/Y6（方法）作為光活性層，通過插入夾層，實(shí)現(xiàn)了ZnO層與PM6/Y6光活性層之間的界面電阻降低和利于電荷轉(zhuǎn)移。同時，半透明器件的PCE從11.6%提高到13.5%，短路電流密度增強(qiáng)（20.5到22.2 mA/cm²）。

此外，由于L-G分子的強(qiáng)還原性，自由基的產(chǎn)生減少?；诿芏确汉碚摚―FT）的量子力學(xué)模擬計(jì)算證實(shí)了L-G分子官能團(tuán)的缺陷鈍化和超氧自由基抑制效應(yīng)。以一日強(qiáng)度連續(xù)照明500 h后，有機(jī)光活性層中的分子結(jié)構(gòu)和堆積幾乎保持不變，而參考光活性層表現(xiàn)出明顯的聚集和分解。

帶有L-G中間膜的半透明OPV在連續(xù)照明1008 h后保持其初始PCE的84%以上。所得半透明OPVs在發(fā)電屋頂中的整合表明，與傳統(tǒng)玻璃屋頂溫室相比，半透明OPV集成溫室的植物生長有所改善，成活率更高。這些結(jié)果加強(qiáng)了半透明OPV用于農(nóng)業(yè)和其他相關(guān)應(yīng)用的可行性。

光伏性能提升

如圖1b所示，半透明OPVs的基本器件結(jié)構(gòu)為氧化銦錫（ITO）、ZnO/光活性層、MoO₃/超薄金（Au）/超薄銀（Ag）。在這種結(jié)構(gòu)中，金超薄層的沉積提供了成核中心，確保形成連續(xù)的銀薄膜。通過旋涂和退火工藝在ZnO層和光活性層之間插入薄的L-G中間膜，其表面的形貌沒有隨著L-G層的摻入而改變。

結(jié)果，半透明器件的平均PCE從11.6%增加到13.5%。外部量子效率（EQE）光譜也得到證實(shí)。同時，電化學(xué)阻抗譜測量表明，通過插入L-G中間層獲得了低得多的電荷轉(zhuǎn)移電阻，表明光活性層和電子傳輸層與L-G中間層之間的界面處的電荷轉(zhuǎn)移得到促進(jìn)。

圖1. 通過L-G中間層的加入，促進(jìn)了電荷的提取，提高了光伏性能

模擬計(jì)算

同時，通過DFT計(jì)算了L-G夾層缺陷鈍化效應(yīng)的物理機(jī)理。首先計(jì)算了纖鋅礦ZnO表面的缺陷形成能量（DFE），表明L-G分子可以有效地消除ZnO膜中的主要缺陷，并減少界面處的載流子復(fù)合。與不使用L-G中間膜的不透明器件的內(nèi)部量子效率相比，使用L-G中間膜的半透明器件的內(nèi)部量子效率增強(qiáng)也證實(shí)了L-G中間膜的鈍化效果。

本文還研究了L-G對超氧化物形成的影響。氧分子和完美的ZnO表面之間幾乎沒有相互作用。然而，ZnO表面上的氧空位可以與氧分子相互作用，導(dǎo)致電荷從表面轉(zhuǎn)移到氧分子，從而形成超氧化物。

圖2. L-G分子與ZnO表面缺陷之間的相互作用

穩(wěn)定性提升

此外，為了評估連續(xù)太陽輻射下光活性層的形貌變化，作者比較了有和沒有L-G夾層的ZnO薄膜上PM6/Y6薄膜的掠入射廣角X射線散射（GIWAXS）圖案。在空氣中單日光強(qiáng)度下連續(xù)輻射500 h后，有機(jī)膜在ZnO層與L-G中間層上的π-π堆積峰沿面外方向沒有變化。相反，直接沉積在ZnO層上的薄膜的π-π堆積的明顯峰展寬，表明有機(jī)分子的分解和光活性層在連續(xù)輻射后的形態(tài)變化。

圖3. L-G夾間上光活性層的形貌穩(wěn)定性

圖4. L-G層氧化有機(jī)分子的阻抗和增強(qiáng)器件穩(wěn)定性

植物生長評估

為了驗(yàn)證在光伏/光合作用集成系統(tǒng)中種植各種植物的潛力，作者建造了帶有半透明OPV屋頂?shù)臏厥?，并比較了多種常見作物在這些溫室中的生長條件。在半透明OPV屋頂溫室中植物的發(fā)芽長度和成活率，與在具有透明玻璃或空間分段無機(jī)太陽能電池屋頂?shù)臏厥抑猩L的植物相當(dāng)或更高。

結(jié)果表明，半透明OPVs在溫室屋頂中的整合不會損害植物的生長（通過競爭陽光吸收）。有趣的是，半透明的OPV屋頂可以保護(hù)植物免受有害的紫外線照射，并促進(jìn)溫室中植物的生長。在這種情況下，光伏和光合作用系統(tǒng)可以通過集成相互受益。

圖5. 綜合光伏/光合作用系統(tǒng)中的植物生長

綜上，本文在器件架構(gòu)中引入了還原夾層，插入L-G中間膜使平均PCE提高了13.5%，同時保持了半透明器件的AVT，在輻射下觀察到抑制的超氧化物生成。帶有半透明OPV裝置的溫室屋頂有可能以更高的成活率促進(jìn)各種植物的健康生長，本文的研究強(qiáng)調(diào)了OPV運(yùn)行穩(wěn)定性的重要性，以及通過將半透明OPV集成為溫室屋頂來促進(jìn)光伏和光合作用系統(tǒng)之間的互惠性，并可能有助于解決人口稠密地區(qū)的糧食和能源挑戰(zhàn)。

Yepin Zhao, Zongqi Li, Caner Deger, Minhuan Wang, Miroslav Peric , Yanfeng Yin , Dong Meng, Wenxin Yang, Xinyao Wang, Qiyu Xing, Bin Chang, Elizabeth G. Scott, Yifan Zhou, Elizabeth Zhang, Ran Zheng, Jiming Bian, Yantao Shi, Ilhan Yavuz, Kung-Hwa Wei, K. N. Houk, Yang Yang, Achieving sustainability of greenhouses by integrating stable semi-transparent organic photovoltaics, Nature Sustainability, 2023, https://doi.org/10.1038/s41893-023-01071-2