窗户能发电？科学家研制半透明有机太阳电池

有能透光和发电的窗户吗？半透明有机太阳能电池可以满足这一需求。它的光学性能易于调节，并且柔软，易于加工和安装。它可用作建筑物或汽车外表面的光伏玻璃，具有重要的商业潜力。

日前，华南理工大学材料科学与工程教授叶·李璇、中国科学院院士曹勇和德国埃尔兰根-纽伦堡大学教授克里斯托夫·布拉贝克组成的联合团队开发了一个快速薄膜光学计算模型，并以此为基础模拟了几乎所有可能的数千万个薄膜结构模型，从而确定了光电转换率和透明性之间的最佳平衡，制备了光电转换率为11%、透明性为30%的有机太阳能电池。相关的结果最近发表在细胞的能量杂志《焦耳》上。

发电与光传输

“半透明有机太阳能电池的主要设计理念是吸收人类无法感知的紫外线和近红外光，并将其转化为电能，同时传输适量的可见光以满足视觉需求。”该论文的第一作者、华南理工大学材料科学与工程学院博士生夏若曦告诉《中国科学日报》。太阳能电池

夏若曦认为，有机光伏材料可以通过其分子结构被设计成具有弱可见光吸收和相对宽且强的近红外吸收。为了进一步优化器件的光学性能，传统的周期性一维光子晶体具有选择性反射特定波长光的特性。引入半透明有机太阳能电池后，可以选择性地将人眼不敏感波长的光反射到光敏层进行二次吸收，从而在对透明度影响较小的情况下提高器件的光子捕获率，从而提高短路电流密度和光电转换率。

研究团队在进行具有一维光子晶体增益的半透明有机太阳能电池的光学设计时，不同于传统的周期一维光子晶体的设计思想。每一层的厚度被视为*变量，有源层和银电极的厚度被一起优化以考虑它们之间可能的耦合关系。通过遍历几乎所有可能的厚度组合(数千万个组合)，可以在光学水平上确定光电转换率和透明度之间的最佳平衡。

高通量模拟制导方法

夏若曦告诉记者，他们的工作首先是基于转移矩阵法开发一个运行速度快的薄膜光学计算模型。

转移矩阵法是一套基于波动光学的数学方法，可用于求解半透明有机太阳能电池的相关光学性能参数，建立光电转换率、透明度和膜厚之间的函数关系。

该研究团队通过优化算法、代码等提高了模型的计算速度，从而通过遍历计算将光学设计视为一个更严格、更纯粹的数学优化问题。

利用这一模型，他们模拟了数千万种可能的器件结构，并详细研究了半透明有机太阳能电池的光电转换率和透光率与薄膜厚度之间的函数关系，从而在光学层面上严格确定了光电转换率和透明度之间的最佳平衡关系。

事实证明，用该方法设计制造的非周期一维光子晶体达到了预期的性能参数和光学特性，同时可以选择性地增强可见光透射和紫外、近红外反射，证明了该方法的有效性和科学性。

夏若曦认为，高通量模拟制导方法具有良好的通用性，特别适合多目标、多厚度协同优化，可广泛应用于有机光伏材料系统，甚至可应用于光伏器件或光电探测器如钙钛矿太阳能电池的光学设计，具有很大的应用潜力。

新一代光伏技术

目前，商业光伏技术主要基于无机材料。夏若曦在接受《中国科学报》采访时表示，以硅为代表的无机光伏技术已经非常成熟，并以其高效率、低成本等优势几乎垄断了整个光伏市场。

“大规模储能困难导致的太阳能并网瓶颈要求我们加快发展分布式、家用和微电网光伏应用。主要应用场景包括建筑屋顶和外墙，这为半透明光伏技术带来了广阔的市场。”夏若曦说道。

然而，晶体硅电池很难被制成半透明的，所谓的“半透明”效果只能通过透过不透明电池之间的缝隙来实现，这并不十分美观。非晶硅电池可以制成半透明，但它也有一些缺点，如效率低、透明度低、颜色单一等，严重限制了它在建筑玻璃中的应用。

相比之下，夏若曦表示，有机光伏材料不仅具有高度可调的光学性能，而且可以很容易地制成半透明的有机薄膜，因此在半透明光伏领域具有较大的应用潜力。此外，有机光伏还具有独特的优势，如质地柔软和室温溶液处理。

该方法制作的器件具有11%的光电转换率和30%的透明性，这是由于有机材料独特的光学优势和科学严谨的光学设计。相比之下，当透明度低于30%时，商用半透明光伏电池的效率只有一半或不到11%。

夏若曦表示，有机光伏是一个快速发展的研究热点，近年来中国科学家领导的许多重要技术突破已经出现。如果效率能进一步提高，大面积模块器件的制造工艺能得到改进，寿命和稳定性能得到提高，有机光伏极有可能在10年内首次在中国商业化。