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成果简介

半透明有机光伏（OPV）电池是一种新兴的太阳能收集技术，具有广阔的应用，例如环保温室的屋顶能源供应。然而，OPV的运行稳定性差，对其持续为设施提供服务的可行性提出了挑战。

在此，美国加州大学洛杉矶分校杨阳教授，大连理工大学王敏焕副教授和土耳其马尔马拉大学Ilhan Yavuz教授报道了一种用于半透明OPV的还原层间结构，该结构提高了OPV在连续太阳辐射下的运行稳定性。

实验结果表明，半透明OPV的功率转换效率为13.5%，平均可见透过率为21.5%，在连续照明下具有出色的运行稳定性（1008 h后保持率为84.8%）。温室结果表明，半透明的OPV屋顶有利于作物的成活率和生长，表明本文的方法在应对粮食和能源挑战方面的重要性。

相关文章以“Achieving sustainability of greenhouses by integrating stable semi-transparent organic photovoltaics”为题发表在Nature Sustainability上。

研究背景

近几十年来，粮食和能源危机席卷了世界上大多数发展中地区，有效利用农田的可持续技术是解决问题的关键。特别是温室，可以通过补偿天气或温度对农作物和蔬菜的波动影响来有效地延长种植季节。因此，温室被广泛认为是提高不断增长的人口粮食产量的有效策略。

然而，用于控制温室内部环境的电网建设和电力消耗大大增加了成本，特别是在广阔的偏远地区。因此，将半透明有机光伏（OPV）集成到发电屋顶的智能温室，对于现代农业来说是非常理想的。

由于有机材料独特的波段结构，OPV能够选择性地吸收所需波长的光。近年来，半透明OPV的功率转换效率（PCE）和平均可见光透过率（AVT）均有显著提高。然而，OPV的稳定性似乎是阻碍半透明OPV集成到屋顶广泛使用的主要问题。因此，一种能够有效防止电子传输层和光活性层之间直接接触而不妨碍电荷转移的层间策略特别重要。

内容详解

基于此，本文报告了一种基于还原型L-谷胱甘肽（L-G）用于半透明OPV设备。该装置使用PM6/Y6（方法）作为光活性层，通过插入夹层，实现了ZnO层与PM6/Y6光活性层之间的界面电阻降低和利于电荷转移。同时，半透明器件的PCE从11.6%提高到13.5%，短路电流密度增强（20.5到22.2 mA/cm²）。

此外，由于L-G分子的强还原性，自由基的产生减少。基于密度泛函理论（DFT）的量子力学模拟计算证实了L-G分子官能团的缺陷钝化和超氧自由基抑制效应。以一日强度连续照明500 h后，有机光活性层中的分子结构和堆积几乎保持不变，而参考光活性层表现出明显的聚集和分解。

带有L-G中间膜的半透明OPV在连续照明1008 h后保持其初始PCE的84%以上。所得半透明OPVs在发电屋顶中的整合表明，与传统玻璃屋顶温室相比，半透明OPV集成温室的植物生长有所改善，成活率更高。这些结果加强了半透明OPV用于农业和其他相关应用的可行性。

光伏性能提升

如图1b所示，半透明OPVs的基本器件结构为氧化铟锡（ITO）、ZnO/光活性层、MoO₃/超薄金（Au）/超薄银（Ag）。在这种结构中，金超薄层的沉积提供了成核中心，确保形成连续的银薄膜。通过旋涂和退火工艺在ZnO层和光活性层之间插入薄的L-G中间膜，其表面的形貌没有随着L-G层的掺入而改变。

结果，半透明器件的平均PCE从11.6%增加到13.5%。外部量子效率（EQE）光谱也得到证实。同时，电化学阻抗谱测量表明，通过插入L-G中间层获得了低得多的电荷转移电阻，表明光活性层和电子传输层与L-G中间层之间的界面处的电荷转移得到促进。

图1. 通过L-G中间层的加入，促进了电荷的提取，提高了光伏性能

模拟计算

同时，通过DFT计算了L-G夹层缺陷钝化效应的物理机理。首先计算了纤锌矿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，并减少界面处的载流子复合。与不使用L-G中间膜的不透明器件的内部量子效率相比，使用L-G中间膜的半透明器件的内部量子效率增强也证实了L-G中间膜的钝化效果。

本文还研究了L-G对超氧化物形成的影响。氧分子和完美的ZnO表面之间几乎没有相互作用。然而，ZnO表面上的氧空位可以与氧分子相互作用，导致电荷从表面转移到氧分子，从而形成超氧化物。

图2. L-G分子与ZnO表面缺陷之间的相互作用

稳定性提升

此外，为了评估连续太阳辐射下光活性层的形貌变化，作者比较了有和没有L-G夹层的ZnO薄膜上PM6/Y6薄膜的掠入射广角X射线散射（GIWAXS）图案。在空气中单日光强度下连续辐射500 h后，有机膜在ZnO层与L-G中间层上的π-π堆积峰沿面外方向没有变化。相反，直接沉积在ZnO层上的薄膜的π-π堆积的明显峰展宽，表明有机分子的分解和光活性层在连续辐射后的形态变化。

图3. L-G夹间上光活性层的形貌稳定性

图4. L-G层氧化有机分子的阻抗和增强器件稳定性

植物生长评估

为了验证在光伏/光合作用集成系统中种植各种植物的潜力，作者建造了带有半透明OPV屋顶的温室，并比较了多种常见作物在这些温室中的生长条件。在半透明OPV屋顶温室中植物的发芽长度和成活率，与在具有透明玻璃或空间分段无机太阳能电池屋顶的温室中生长的植物相当或更高。

结果表明，半透明OPVs在温室屋顶中的整合不会损害植物的生长（通过竞争阳光吸收）。有趣的是，半透明的OPV屋顶可以保护植物免受有害的紫外线照射，并促进温室中植物的生长。在这种情况下，光伏和光合作用系统可以通过集成相互受益。

图5. 综合光伏/光合作用系统中的植物生长

综上，本文在器件架构中引入了还原夹层，插入L-G中间膜使平均PCE提高了13.5%，同时保持了半透明器件的AVT，在辐射下观察到抑制的超氧化物生成。带有半透明OPV装置的温室屋顶有可能以更高的成活率促进各种植物的健康生长，本文的研究强调了OPV运行稳定性的重要性，以及通过将半透明OPV集成为温室屋顶来促进光伏和光合作用系统之间的互惠性，并可能有助于解决人口稠密地区的粮食和能源挑战。

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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