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近期，武漢大學(xué)高等研究院閔杰研究員課題組開發(fā)出基于環(huán)保溶劑制備的三元高性能室內(nèi)有機(jī)光伏器件（IOPVs），在室內(nèi)光伏多場景應(yīng)用的研究中取得重要進(jìn)展。

研究成果以“High-Performance Organic Photovoltaic Modules Using Eco-Friendly Solvents for Various Indoor Application Scenarios”為題，于2022年7月31日發(fā)表在Joule期刊上。論文通訊作者是閔杰；第一作者是吳強(qiáng)，余悅。

隨著物聯(lián)網(wǎng)（IoT）生態(tài)系統(tǒng)的興起，數(shù)百億獨(dú)立的、低功耗的室內(nèi)電子設(shè)備需要大量的離網(wǎng)電源。目前，IoT設(shè)備主要由傳統(tǒng)的化學(xué)電池和商業(yè)電力驅(qū)動。然而，這類能源需要經(jīng)常更換或定期維護(hù)，使用方式相對繁瑣且不環(huán)保。近年來，室內(nèi)有機(jī)光伏（IOPVs）由于其高消光系數(shù)和帶隙可調(diào)性以及良好的室內(nèi)低光強(qiáng)度匹配性，可以作為一種將室內(nèi)光轉(zhuǎn)換為電能的裝置，可成為IoT生態(tài)系統(tǒng)中一種理想的綠色能源。IOPVs應(yīng)用的發(fā)展隨之帶來了新的機(jī)遇，同時也帶來了巨大的挑戰(zhàn)。例如，如何進(jìn)一步提升IOPVs的能量轉(zhuǎn)換效率（PCE），并實(shí)現(xiàn)其綠色制備；如何進(jìn)一步拓寬IOPVs器件的應(yīng)用場景，實(shí)現(xiàn)其多功能化應(yīng)用等。

鑒于此，閔杰課題組通過在J52-Cl:BTA3二元光伏體系中引入寬帶隙非富勒烯受體材料BTA1構(gòu)建出開路電壓（VOC）更高的三元體系，并制備出綠色、高效的室內(nèi)有機(jī)光伏器件。在AM 1.5G下（1個標(biāo)準(zhǔn)太陽）條件下，該三元共混體系（J52-Cl:BTA3:BTA1）獲得了11.22%的PCE，并展現(xiàn)出1.28 V的VOC。通過相關(guān)物理機(jī)制和微觀形貌研究，結(jié)果表明BTA1的加入使活性層中分子間堆積更加緊密，結(jié)晶性更好，垂直方向域尺寸顯著增大，有效地提高了電荷傳輸和電荷提取，抑制非輻射電荷復(fù)合，從而實(shí)現(xiàn)高VOC和高填充因子（FF）。此外，在LED室內(nèi)光源（2700K，1000 lux）條件下，由四氫呋喃加工三元體系所制備的IOPV器件展現(xiàn)出28.84%的PCE，遠(yuǎn)高于二元體系（26.66%）。同時，基于三元體系的不透明和半透明光伏組件（12 cm2）也展示出良好的室內(nèi)光伏性能（分別是21.98%和14.77%，為迄今為止報道的IOPVs組件最高記錄值），而且具有優(yōu)異的工作穩(wěn)定性。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)這類組件不僅具有優(yōu)異的工作穩(wěn)定性，而且能夠有效驅(qū)動數(shù)字溫濕度傳感器。最后，閔杰課題組還發(fā)現(xiàn)該三元器件可表現(xiàn)出有機(jī)發(fā)光二極管特性，內(nèi)量子效率為0.04%，最高亮度接近100 cd m-2。


該研究表明所設(shè)計(jì)的三元光伏系統(tǒng)在室內(nèi)多功能集成應(yīng)用中具有巨大的潛力，對室內(nèi)有機(jī)光伏材料與光伏體系的設(shè)計(jì)與構(gòu)建具有一定的指導(dǎo)意義。該工作得到了國家自然基金委和校內(nèi)自主科研項(xiàng)目資金等的資助，并獲得國家納米中心周二軍研究員、香港中文大學(xué)路新慧教授、武漢大學(xué)化學(xué)學(xué)院謝國華副教授等合作者在光伏材料和性能表征方面的支持和幫助。

原標(biāo)題：武漢大學(xué)開發(fā)室內(nèi)有機(jī)光伏三元體系適用于多種應(yīng)用場景