最新Joule：可用于多种场景的室内有机光伏组件

第一作者：吴强，余悦

通讯作者：闵杰

研究亮点：

1. 1.用四氢呋喃（THF）处理了一种新的三元体系，以制备高性能的IOPV。

2. 2.THF处理的IOPV的效率达到了创纪录的28.84%。

3. 3.不透明和半透明模块的PCE分别为22.0%和14.8%。

4. 4.分析了三元器件在各种场景中的应用。

一、实现高效的室内有机光伏现存的挑战

根据理论计算，光伏材料的理想光学带隙（Eg）约为IOPV的1.8–3.0 eV。为了实现高效的IOPV，活性层材料需要具有与室内光源匹配的合适吸收光谱。此外，由于室内光源下的入射光强度较低，相关IOPV通常显示出较低的载流子密度。因此，相关IOPV的有源层系统需要降低非辐射复合和泄漏电流。为了进一步实现高效光伏性能，还需要较高且匹配的外部量子效率（EQE）频谱和低电压损耗，使IOPV中光电转换过程中入射光子的能量损失最小化。此外，由于有效的光电转换过程关键取决于大块微观结构，因此控制精细的纳米级形貌至关重要。然而，要同时满足上述选择标准以实现高效和稳定的IOPV是非常困难的。这也是为什么只有少数材料适合IOPV器件的主要原因之一。

二、成果简介

室内有机光伏（IOPV）被认为是物联网电源最有前景的候选电源之一，因为它可以从环境条件中获取光能。然而，有限的宽带隙受体和有害溶剂阻碍了IOPV的发展。在此，武汉大学闵杰课题组作者展示了一种适用于室内应用的高性能J52-Cl:BTA3:BTA1三元体系。四氢呋喃处理的三元器件在LED 1000 lux条件下的PCE为28.8%。此外，不透明和半透明模块不仅表现出22.0%和14.8%的PCE，而且具有良好的稳定性。这些结果启发我们用太阳能模块取代电池来驱动集成传感器，同时探索所设计的三元系统的OLED性能。

三、结果与讨论

要点1：活性材料的特性

聚合物供体J52 Cl和电子受体BTA3和BTA132的分子结构如图1A所示。BTA3和BTA1具有非常相似的分子结构，但2-（3-乙基-4-氧噻唑烷-2-亚基）丙二腈和3-乙基-2-硫氧噻唑啉-4-一个末端受体基团导致不同的光学、能级和物理化学性质。图1B显示了OPV的正常结构图。图1C描述了本研究中研究的活性层材料的最高占据分子轨道（HOMO）和最低未占据分子轨道能级（LUMO）的相对位置。D/A材料的良好能量学确保了三元器件中激子的有效解离（表S1）。将LUMO能级较低的BTA1引入J52 Cl:BTA3二元系统的主要原因之一是改善相关三元器件中的VOC。图1D显示了所研究活性层材料的归一化吸收光谱。

J52 Cl和BTA3薄膜的最大吸收峰分别在541 nm和641 nm处观察到。第三成分BTA1的波长主要跨越550-610 nm。因此，引入BTA1以形成具有一个施主和两个受主的三元混合物，也可以提供波长互补性，以增强与主体混合物相比的LED灯光谱周围的光子吸收（图1D和S1）。我们还对纯BTA3薄膜以及具有优化重量比的二元和三元共混物进行了光致发光（PL）研究（J52 Cl:BTA3和J52 Cl:BTA3:BTA1；见图S2）。主体二元混合物和三元混合物的猝灭效率分别约为78.1%和80.7%，表明三元混合物中更有效的激发态电荷转移特性。

图1 本研究中使用的活性层材料的基本特性

要点2：OPV电池的光电性能

图2 OPV电池的性能和光电特性

随着BTA1作为第三组分的成功，我们进一步研究了我们的策略在非卤化溶剂中的适用性。直接将CF处理的器件中使用的类似制造条件和相同的器件结构转换为四种类型的OPV器件，它们由THF、2-甲基THF（Me-THF）、甲苯（TOL）和邻二甲苯（o-XY）溶剂处理。详细的光伏性能如图2A和S4所示，相应的器件光伏参数分别总结在表1和S3中。THF处理的二元和三元器件表现出比其他三种相应器件更好的PCE。THF处理的J52 Cl:BTA3器件的PCE为10.60%（VOC=1.243 V，JSC=12.90 mA cm−2），FF=66.12%）。

此外，非常低的PCE为0.62%（VOC为1.332 V，JSC为1.50 mA cm−2），在J52-Cl:BTA1二元系统中实现了30.88%的FF。重要的是，通过向J52 Cl:BTA3主体混合物中添加约20%的BTA1，VOC、JSC和FF值同时增加到1.275 V、12.98 mA cm−2和67.76%，总PCE为11.22%，这是VOC超过1.20 V的OPV的最高值和重大突破。优化的二元和三元器件的相应EQE曲线如图2B所示，计算的JSC值如表1所示。从三个系统获得的统计光伏指标和PCE直方图如图2C所示，表明相应设备性能的良好再现性。这些结果表明，环境友好的溶剂可以促进高效IOPV在绿色和低碳生活中的进一步实际应用。

要点3：二元和三元IOPV的光伏性能对比

图3 二元和三元IOPV的光伏性能

研究人员使用了一种常用的LED（2700 K）灯来模拟室内照度。在200、500和1000 lux下，通过所有发射光谱计算的积分功率值分别为60.60、150.82和300.73 mW cm2（图4A）。

由于输入光子数增加，随着光强度从200勒克斯提高到1000勒克斯（表2），主机二元（图3B）和最佳三元（图3C）室内设备的JSC和VOC都显著增加。在1000 lux LED灯下，THF处理的主机二元器件的PCE为26.66%，VOC为1.07 V，JSC为96.82 mA cm-2，FF为77.40%，而最佳的三元器件显示PCE高达28.84%（VOC=1.12 V，JSC为96.65 mA cm-2和FF=80.27%）。该三元器件在光强为200 lux时的PCE优良率为24.86%，在光强为500勒克斯时为26.24%。除了暖白光（图S11、2700 K、1000 lux）外，还对优化的三元器件在自然白光（3500 K、1000 lux）和日光（6500 K、1000Lux）下进行了测量，结果表明PCE分别为26.56%和25.26%。

要点4：光伏组件特性和室内应用

图4光伏组件特性和室内应用

在本文中，作者进一步制造了使用THF作为处理溶剂的大型三元IOPV模块（图5A），由五个子电池组成，这些电池通过ITO到Al互连进行单片集成和串联。图5B显示了在1个太阳照射下测量的制造的不透明模块和半透明模块的J-V曲线，其显示了不透明模块的有希望PCE分别为8.71%和5.88%（表3）。在不同光强下（2700 K LED，图4A和S12C），不透明模块的J-V曲线如图5C所示，相应器件的室内光伏参数如表3所示。在500 lux LED灯下，三元器件的PCE为19.30%。

此外， PCE 为 21.98% （ V OC =5.34 V ， J SC =18.623μa cm −2 ）， FF=66.47% ），输出功率（ P out ）为 66.10μW cm −2 在 1000 lux 照明下测量的同一模块中获得 2 个。 当室内照度增加到 2000 lux 时，获得的 PCE 和 Pout 值分别为 24.07% 和 144.78μW cm −2 分别为。 此外，我们在图 5D 中描述了文献中报告的 IOPV 模块在不同 LED 照明下的 PCE 与年份的关系图。 令人印象深刻的是，最佳三元器件还显示了报告的 IOMV 模块中的领先 PCE 。 根据之前的报告，其幅度为 29.10–144.78μA cm −2 足以驱动许多电子应用。 因此，这些结果启发我们最初尝试用三元光伏模块代替电池，为温湿度计提供电源（图 5C ）。

四、小结

物联网生态系统的发展迫切需要方便的能源，如室内有机光伏发电（IOPV），为物联网设备供电。然而，有限的介质带隙受体阻碍了IOPV的发展。在此，作者报告了一种适用于室内应用的三元体系。将BTA1引入J52 Cl:BTA3主体共混物可以优化主体材料的能量偏移和分子堆积，并抑制非辐射复合。因此，四氢呋喃处理的三元器件在1个太阳光下的功率转换效率（PCE）为11.22%，在1000勒克斯LED灯下的PCE为28.84%。此外，作者还构建了大规模不透明和半透明模块，PCE分别为22.0%和14.77%。令人印象深刻的是，三元IOPV还显示出正常的有机发光二极管性能。这项工作表明，所设计的三元体系在室内多功能集成应用中具有巨大的潜在发光功能。

五、参考文献

Wu et al., High-performance organic photovoltaic modules using eco-friendly solvents for various indoor application scenarios, Joule (2022),

Doi: 10.1016/j.joule.2022.07.001.

https://doi.org/10.1016/j.joule.2022.07.001

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