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成果簡介

半透明有機光伏（OPV）電池是一種新興的太陽能收集技術，具有廣闊的應用，例如環保溫室的屋頂能源供應。然而，OPV的運行穩定性差，對其持續為設施提供服務的可行性提出了挑戰。

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

實驗結果表明，半透明OPV的功率轉換效率為13.5%，平均可見透過率為21.5%，在連續照明下具有出色的運行穩定性（1008 h后保持率為84.8%）。溫室結果表明，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對糧食和能源挑戰方面的重要性。

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

研究背景

近幾十年來，糧食和能源危機席卷了世界上大多數發展中地區，有效利用農田的可持續技術是解決問題的關鍵。特別是溫室，可以通過補償天氣或溫度對農作物和蔬菜的波動影響來有效地延長種植季節。因此，溫室被廣泛認為是提高不斷增長的人口糧食產量的有效策略。

然而，用于控制溫室內部環境的電網建設和電力消耗大大增加了成本，特別是在廣闊的偏遠地區。因此，將半透明有機光伏（OPV）集成到發電屋頂的智能溫室，對于現代農業來說是非常理想的。

由于有機材料獨特的波段結構，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移的層間策略特別重要。

內容詳解

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設備。該裝置使用PM6/Y6（方法）作為光活性層，通過插入夾層，實現了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（20.5到22.2 mA/cm²）。

此外，由于L-G分子的強還原性，自由基的產生減少。基于密度泛函理論（DFT）的量子力學模擬計算證實了L-G分子官能團的缺陷鈍化和超氧自由基抑制效應。以一日強度連續照明500 h后，有機光活性層中的分子結構和堆積幾乎保持不變，而參考光活性層表現出明顯的聚集和分解。

帶有L-G中間膜的半透明OPV在連續照明1008 h后保持其初始PCE的84%以上。所得半透明OPVs在發電屋頂中的整合表明，與傳統玻璃屋頂溫室相比，半透明OPV集成溫室的植物生長有所改善，成活率更高。這些結果加強了半透明OPV用于農業和其他相關應用的可行性。

光伏性能提升

如圖1b所示，半透明OPVs的基本器件結構為氧化銦錫（ITO）、ZnO/光活性層、MoO₃/超薄金（Au）/超薄銀（Ag）。在這種結構中，金超薄層的沉積提供了成核中心，確保形成連續的銀薄膜。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。同時，電化學阻抗譜測量表明，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移得到促進。

圖1. 通過L-G中間層的加入，促進了電荷的提取，提高了光伏性能

模擬計算

同時，通過DFT計算了L-G夾層缺陷鈍化效應的物理機理。首先計算了纖鋅礦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合。與不使用L-G中間膜的不透明器件的內部量子效率相比，使用L-G中間膜的半透明器件的內部量子效率增強也證實了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，導致電荷從表面轉移到氧分子，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

穩定性提升

此外，為了評估連續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。在空氣中單日光強度下連續輻射500 h后，有機膜在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，表明有機分子的分解和光活性層在連續輻射后的形態變化。

圖3. L-G夾間上光活性層的形貌穩定性

圖4. L-G層氧化有機分子的阻抗和增強器件穩定性

植物生長評估

為了驗證在光伏/光合作用集成系統中種植各種植物的潛力，作者建造了帶有半透明OPV屋頂的溫室，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芽長度和成活率，與在具有透明玻璃或空間分段無機太陽能電池屋頂的溫室中生長的植物相當或更高。

結果表明，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屋頂可以保護植物免受有害的紫外線照射，并促進溫室中植物的生長。在這種情況下，光伏和光合作用系統可以通過集成相互受益。

圖5. 綜合光伏/光合作用系統中的植物生長

綜上，本文在器件架構中引入了還原夾層，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各種植物的健康生長，本文的研究強調了OPV運行穩定性的重要性，以及通過將半透明OPV集成為溫室屋頂來促進光伏和光合作用系統之間的互惠性，并可能有助于解決人口稠密地區的糧食和能源挑戰。

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

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