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由于全球能源短缺问题的日益严重，各个国家都在寻求可持续的能源，因此对太阳能电池板等可再生能源的需求非常大。然而，太阳能电池板占用空间大且难以扩展限制了其使用。为解决这一问题，农业光伏成为了一个新兴领域，它的重点在于同时利用土地进行太阳能发电和农业种植。例如，可以用太阳能电池板替代温室中的玻璃，为灯具和水控制提供动力，甚至为整个农场提供能源。但是，如何建造能够吸收太阳光能而不遮挡植物所需光线的太阳能电池板是其中的一大挑战。
图：一个微型温室原型
基于以上挑战，加州大学洛杉矶分校杨阳教授、土耳其马尔马拉大学Ilhan Yavuz教授和大连理工大学王敏焕副教授联合开发了一种增强半透明有机太阳能电池(OPV)的策略。研究人员在太阳能电池中添加了一层名为L-谷胱甘肽的天然化学物质，L-谷胱甘肽层阻止了太阳能电池中其他材料的氧化，这使得有机电池在连续使用1000h后仍能保持80%以上的效率。此外，这种增强半透明有机太阳能电池仍然能够让足够的阳光穿过，照射到温室原型中的植物，其覆盖面积大约相当于一个小玩具屋的大小。相关成果以“Achieving sustainability of greenhouses by integrating stable semi-transparent organic photovoltaics”为题发表在《Nature Sustainability》上。
在这些发现之后，该团队已经在加州大学洛杉矶分校建立了一个创业公司，旨在扩大有机太阳能电池的生产规模，供工业使用。研究人员说，他们希望在未来能将含有有机太阳能电池的环保温室投入商业使用。
增强光伏性能
半透明OPV的基本器件结构是氧化铟锡（ITO）/氧化锌/光敏层/氧化钼/超薄金（Au）/超薄银（Ag）（图1b）。通过旋涂和退火过程，在ZnO层和光活性层之间插入了一个薄的L-G中间层。外部量子效率（EQE）光谱证实了加入L-G中间层后Jsc的增强（图1d）。透射率测量显示，有L-G中间层和没有L-G中间层的器件的AVT相似，这表明中间层的插入并不影响半透明太阳能电池的透明度（图1e）。
作者使用电化学阻抗光谱测量法比较了这些器件的接触电阻。结果表明，通过插入L-G中间层，获得了更低的电荷转移电阻。还测量了半透明OPV的瞬时光电流（TPC）曲线，以进一步比较带和不带L-G中间层的器件的电荷载流子提取。有中间层的器件的TPC曲线显示出更快的衰减（图1g），这意味着从光活性层到电子传输层的电荷提取更快。更快的电荷提取表明界面上的载流子重组更少。如图1h所示，在低电场下，带有L-G夹层的半透明器件可以获得比参考器件更高的Jph/Jsat。这表明在有L-G夹层的光活性层和电子传输层之间的界面上，电荷转移得到了促进。
图 1：通过引入 L-G 夹层促进电荷提取并增强光伏性能
模拟计算
为了了解L-G中间层的缺陷钝化效应的物理机制，作者进行了DFT模拟计算（图2）。通过这些模拟结果中，可以确定L-G夹层的两种不同功能。首先是L-G中间层对氧化锌层的缺陷钝化作用。L-G分子与ZnO表面的电荷缺陷（即氧空位和锌间隙）之间的强相互作用可以减轻缺陷的电荷载体捕获能力。其次是抑制超氧化物，因为超氧化物的形成通常是由ZnO表面的氧空位引发的。
图 2：L-G 分子与 ZnO 表面缺陷之间的相互作用
提高稳定性
为了评估在连续太阳辐射下光活性层的形态变化，作者比较了有无L-G中间层的氧化锌薄膜上的PM6/Y6薄膜的掠入射广角X射线散射（GIWAXS）图案(图3a)，连续辐射前的二维GIWAXS图案是相似的。在空气中连续辐射500小时后，ZnO层上带有L-G夹层的有机膜的π-π堆积峰沿面外方向没有变化（图3b），而没有L-G夹层的ZnO层上的薄膜片状结构的破坏（图3c）。GIWAXS图案证明，L-G中间层的加入既能抑制光活性层的降解，又能减少连续辐射下的分子聚集。
图 3：L-G 夹层上光活性层的形态稳定性
作者接着比较了有无L-G中间层的光活性层薄膜在连续辐射300小时之前和之后的C 1s X射线光电子能谱（XPS）图（图4a）。为了检测光活性层内的超氧化物水平，作者用氢乙炔作为自由基陷阱（HE探针），它可以很容易地与超氧化物自由基反应，并转化为具有不同光致发光峰位置的乙炔（图4b）。有机光活性层速率中的超氧化物生成率明显慢于层间，再次证实了超氧化物的抑制作用。抑制超氧化物和氢氧化物自由基的产生明显导致了带有PM6/Y6光活性层的封装半透明OPV器件的运行稳定性增强（图4c）。带有L-G中间层的器件在照明下连续暴露1008h后，仍然保持了84%以上的初始效率（图4d）。
图 4：L-G 中间层对有机分子氧化的阻抗和增强的器件稳定性
植物生长测试
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，作者建造了带有包含L-G中间层的半透明OPV屋顶的温室，并将这些温室中多种常见作物（即绿豆、小麦和西兰花芽）的生长条件与生长在带有透明玻璃和分段式无机太阳能电池屋顶的温室中的作物进行比较（图5a）。结果表明，将半透明的OPV集成到温室屋顶不会损害植物的生长（通过竞争阳光的吸收）。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，并促进温室内植物的生长。
图 5：集成光伏/光合作用系统中的植物生长
小结
为了解决半透明有机光伏（OPV）器件的稳定性问题，作者在器件结构中引入了还原性夹层。这种夹层加强了电荷载体的提取和运输。插入L-G中间层后，平均功率转换效率提高到了13.5%，同时保持了半透明器件的可见光透过率。因此，在连续照射1008小时后，带有L-G中间层的器件PCE仍然超过84%。带有半透明OPV的温室屋顶可以促进各种植物的健康生长和更高的生存率。作者的研究强调了OPV运行稳定性的重要性，并通过整合半透明OPV作为温室屋顶，实现了光伏和光合作用系统之间的互惠。这种集成系统在大规模应用时可能非常有益，并有助于解决人口稠密地区的食品和能源挑战，而不会造成额外的污染或土地使用。
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来源：高分子科学前沿
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