港中深唐本忠院士团队AM：新型AIE材料实现大尺寸高效透明太阳能窗户

随着全球对清洁能源需求的日益增长，太阳能光伏技术已成为可再生能源领域的核心。然而，传统太阳能电池板的不透明性和单一外观限制了其在城市环境，特别是建筑一体化中的应用。半透明有机光伏虽能提供一定的透明度，但仍难以避免色彩着色，影响建筑美学。在此背景下，透明发光太阳能聚光器（LSCs）作为一种极具潜力的替代方案应运而生。它由嵌入发光材料的透明基板与边缘安装的太阳能电池构成，能够吸收太阳光，特别是传统硅电池效率较低的紫外光，并将其转换为可见光，通过全内反射引导至边缘发电，从而实现既透明又具备发电功能的窗户。然而，透明LSCs长期面临“效率-透明度-可扩展性”的严峻挑战。传统发光材料通常存在吸收与发射光谱重叠严重的问题，导致严重的重吸收损失，使得器件面积一旦超过数平方厘米，效率便急剧下降。因此，同时实现高于95%的可见光透过率和超过0.4%的功率转换效率，一直是该领域的一大技术难题。

针对这一挑战，香港中文大学（深圳）唐本忠院士、丘子杰助理教授设计并合成了一类新型聚集诱导发光材料，成功实现了大尺寸、高效率且高度透明的LSCs。该研究通过将具有激发态分子内质子转移特性的基团与蒽单元结合，获得了兼具高固态发光量子效率和大斯托克斯位移的优化材料3ANT-HBT。基于此材料制备的无色LSCs，在99%的平均可见光透过率下，实现了0.5%的功率转换效率，已接近紫外光收集型器件的理论极限。更重要的是，该器件在超过400平方厘米的大面积下仍能保持优异性能，且重吸收损失极小，为实现高效、可扩展的透明太阳能收集技术提供了全新策略。相关论文以“Large-Scale, Highly Efficient, and Visibly Transparent Luminescent Solar Concentrators Based on A.I.E. Luminogens”为题，发表在Advanced Materials上。

示意图1 | (a) 3ANT-HBT、4ANT-HBT 和 5ANT-HBT 的化学结构。(b) ESIPT 机制。(c) 建筑物将透明 LSC 嵌入作为窗户的示意图，不影响自然采光。

为了深入理解这种高性能材料的发光机制，研究团队对三种新型分子（3ANT-HBT、4ANT-HBT和5ANT-HBT）进行了系统的光物理性质研究。图1展示了这些分子在溶液和固态下的光学特性。如图所示，所有分子的吸收光谱均被限制在紫外区（240-400纳米），这为实现高透明度奠定了基础。在溶液中，它们表现出微弱的蓝光发射；然而，在PMMA薄膜的聚集态下，3ANT-HBT和5ANT-HBT展现出强烈的、由ESIPT机制主导的绿光发射，其中3ANT-HBT的PLQY高达75.7%，而4ANT-HBT则因聚集导致荧光猝灭。为了解释这一现象，研究团队计算了分子在激发态下的重组能，发现3ANT-HBT在PMMA薄膜中，由于位阻效应有效抑制了高频振动，从而大幅降低了非辐射衰变路径。进一步的均方根偏差分析也证实，3ANT-HBT在聚集态下分子构象变化最小，这与其在固态下高PLQY的表现完美吻合。

图1 | (a) 3ANT-HBT、(b) 4ANT-HBT 和 (c) 5ANT-HBT 在 THF 溶液（黑色线）和 PMMA 薄膜（红色线）中的归一化吸收（虚线）和光致发光（实线）光谱。插图：在 365 nm 紫外灯照射下，相应溶液和薄膜的照片。(d) 3ANT-HBT、4ANT-HBT 和 5ANT-HBT 在 THF 溶液和 PMMA 薄膜中的 PLQY。(e) 3ANT-HBT 在 THF 溶液和 PMMA 薄膜中的重组能。(f) 3ANT-HBT 在 THF 溶液和 PMMA 薄膜中高频模式对总重组能的贡献。(g) 3ANT-HBT、4ANT-HBT 和 5ANT-HBT 在 THF 溶液和 PMMA 薄膜中的 RMSD。

研究团队进一步通过分子动力学模拟，揭示了3ANT-HBT在薄膜中实现高效发光的微观机制。图2展示了模拟快照和关键的相互作用分析。在THF溶液中（图2a），3ANT-HBT分子自由度高，其氢键数量随时间波动较大（图2b），二面角分布广泛（图2c），表明其存在多种构象，这解释了其在溶液中的低PLQY。而在PMMA薄膜中（图2d），分子运动受到显著限制，氢键数量更多且更稳定（图2e），同时二面角分布被限制在±60°的狭窄范围内（图2f）。这种受限的分子环境增强了分子内相互作用，有效抑制了非辐射衰变，从而使得3ANT-HBT在固态下实现了极高的发光效率。

图2 | (a) THF 溶液和 (d) PMMA 薄膜中 3ANT-HBT 的分子动力学模拟快照。(b) THF 溶液和 (e) PMMA 薄膜中 3ANT-HBT 的氢键数量随时间的变化。(c) THF 溶液和 (f) PMMA 薄膜中 3ANT-HBT 的二面角分布。

在确定了3ANT-HBT作为最佳候选材料后，研究团队采用自动刮涂技术制备了不同浓度的LSCs，并对其光学性能进行了评估。图3展示了这些器件的透射光谱和关键光学效率参数。从图3a可见，即使在6.3 wt.%的高浓度下，器件在可见光区域（400-740纳米）的透射率依然保持超过99%，仅在紫外区被完全吸收，实现了卓越的可见光透明性。图3b将3ANT-HBT的吸收-发射重叠积分与多种传统荧光材料进行了对比，其值低于千分之一，显示出极低的自吸收风险。图3c表明，随着浓度增加，器件的紫外吸收效率（ηabs）最高可达4.4%，接近理想紫外收集材料的理论最大值。图3d和图3e则揭示了器件尺寸与效率的关系：随着器件面积从25平方厘米增至400平方厘米，由于自吸收和表面散射极小，其内部光子效率（ηint）仅从63%略微下降至53%，边缘发射光谱未见红移，充分证明了该材料在大面积应用中优异的波导性能。

图3 | (a) 不同浓度下 3ANT-HBT LSC 的透射光谱。插图：LSC 在环境光下的照片。(b) 不同荧光团（包括有机染料和量子点）的归一化吸收-发射重叠积分比较。(c) 在 AM 1.5G 光谱下计算的吸收效率（ηabs）与 3ANT-HBT 浓度的关系。(d) 不同浓度下 5 厘米 3ANT-HBT LSC 的光学效率（ηabs, ηPL, LSC, ηint）。(e) 不同尺寸 3ANT-HBT LSC 的光学效率（ηPL, LSC, ηint, ηedge）。

基于卓越的光学性能，研究团队将LSCs与商用硅太阳能电池耦合，并系统测试了其光伏性能。图4展示了关键的电流-电压特性曲线和实际应用场景。图4a和4b显示，随着3ANT-HBT浓度从1.0 wt.%提升至6.3 wt.%，器件的短路电流和开路电压均显著增加，使得25平方厘米器件的PCE从0.28%提升至0.5%。更令人瞩目的是，如图4c和4d所示，当器件尺寸从25平方厘米扩大到400平方厘米时，其PCE仅从0.5%略微降低至0.41%，展现了优异的可扩展性。图4e显示了硅太阳能电池的外量子效率曲线与3ANT-HBT发射光谱的高度匹配，确保了高效的光电转换。图4f则是一张400平方厘米大尺寸器件的实物照片，其极高的透明度直观地展示了该技术作为发电窗户的应用潜力。

图4 | (a) 不同浓度 3ANT-HBT LSC（器件面积：25 平方厘米）的 J-V 曲线和 (b) PCE。(c) 不同尺寸 3ANT-HBT LSC 在户外直射阳光下测量的 J-V 曲线和 (d) PCE。(e) 硅太阳能电池的 EQE 曲线与 3ANT-HBT LSC 光致发光的比较。(f) 大面积（约 400 平方厘米）6.3 wt.% 浓度 3ANT-HBT LSC 器件的照片。

最后，为了全面展示这项工作的卓越性能，研究团队在图5中采用三元雷达图，将本研究的LSCs与文献中报道的其他透明LSCs进行了系统对比。图中清晰地表明，本工作中的3ANT-HBT基LSCs（以棕色区域表示）在大尺寸（超过400平方厘米）、高PCE（超过0.4%）和高AVT（超过99%）这三个维度上均展现出显著的综合优势。相比之下，此前报道的许多高性能器件要么尺寸较小，要么透明度或效率难以兼顾。这一对比结果有力地证明了该研究在解决“效率-透明度-可扩展性”难题上取得的实质性突破。

图5 | 三元雷达图比较了各种 LSC 在尺寸、PCE 和 AVT 方面的性能。本研究中的 LSC 以棕色区域表示，颜色较浅的区域代表更大的尺寸。其他研究工作则以彩色线条表示。

综上所述，这项研究成功开发了一种基于AIE与ESIPT协同策略的新型发光材料，并以此构建了兼具大尺寸、高效率和超高可见光透明度的发光太阳能集中器。其高达99%的可见光透过率和在大面积（400平方厘米）上仍保持0.41%的功率转换效率，充分展示了该技术在实际建筑集成光伏应用中的巨大潜力。尽管成果显著，研究团队也指出，为实现商业化应用，未来仍需着力解决几个关键挑战：首先，需与效率超过20%的太阳能电池进行集成，以将整体PCE提升至1%以上；其次，需要开发稳健的封装策略，确保器件在户外长达20年的使用寿命；最后，可将该AIE-ESIPT分子设计策略拓展至串联的发光体系，以在保持高透明度的同时，进一步拓宽光谱吸收范围。这些未来的研究方向将为推动下一代智能窗户和建筑集成光伏技术的发展奠定坚实基础。