能隔热能发电，华南理工大学加速半透明太阳能电池商业化！

叶轩立团队

2018-07-07

第一作者：孙辰，夏若曦

通讯作者：叶轩立，黄飞

第一单位：华南理工大学

研究亮点：

1.    半透明薄膜太阳电池可同时具备发电和隔热的双重功能。

2.    构建光学衍射结构，进一步增强电池薄膜的隔热效果。

3.    提出并实现了与日常生活相关、切实可行的多功能太阳电池方案。

【文末附作者访谈】

太阳能电池技术发展的重要目标是与应用市场结合，而半透明有机太阳电池在市场方面具有显著优势，可整合到玻璃薄膜中在房屋幕墙、汽车窗户及植物温室外壁上应用。另外，其有机材料颜色可调的特性也增加了此类电池薄膜的美观度。

目前市面上已有多种玻璃隔热膜，可贴于建筑玻璃上控制太阳光透过，隔热控温，减少房屋温控能耗。这些隔热膜通常使用极薄金属等材料，控制长波红外线及短波紫外线的通过，从而达到室内控温的目的。对于某些特殊场合，还可以通过引入多层光学调控层以实现隔断特定波长的太阳光线的作用。

因此，多功能玻璃膜对建筑物的制热/制冷及照明能耗具有重要影响。半透明有机太阳电池的许多设计思路与商用隔热膜非常相似，例如，选择性透过可见光，而将其他部分光线吸收利用，从而产生电能。

有鉴于此，华南理工大学叶轩立团队与黄飞团队开发出同时具备光能发电和隔热效果的半透明太阳电池薄膜，在光电转换效率7%-9%范围及可见光透过率20%-25%范围内可调的条件下，电池薄膜的隔热率均达到75%以上，最高可达90%。

若要实现高性能半透明太阳电池，在选择光吸收材料时，必然要求其尽可能多地透过可见光（380nm-780nm），并对除可见光外的其它波段光进行吸收转化。团队创新性地使用了一类在近红外波段有吸收的光吸收材料，得到的电池器件半透明性能优良，且视觉上呈现浅蓝色，其在建筑美学上的应用也值得考虑。

图1. 半透明太阳电池的颜色参数及半透明性能示意图。

图2. 半透明太阳电池的光电转换性能表征。

由于所选择的吸光材料只是增加了近红外波段吸收，而可见光波段吸收与其它高性能吸光材料几乎无异，因而吸收近红外光子产生的额外光电流会使得电池性能显著提高。团队在光学模型指导下进行器件优化工作，获得了具有突破性进展的高性能半透明太阳电池器件，证明了选择窄带隙新型受体材料作为半透明太阳电池光吸收材料的优越性。这一材料设计理念对未来半透明太阳电池材料的选择具有指导意义。

图3. 通过热成像图片比较半透明太阳电池的隔热性能。

红外线是产生热量的主要来源，这里所采用的吸光材料对近红外波段的光进行了吸收利用，显而易见，这类透光性能同时也赋予此电池器件隔热功能。热成像图片的显著温度差异及隔热膜测试仪表明，此半透明太阳电池器件的隔热性能已经与当今市场上通用的太阳隔热膜在同一水平。并且器件隔热率可在75%-90%范围内可调，可满足不同场合下的隔热膜应用需求。

值得注意的是，超薄层金属银也对红外光具有良好的反射作用，同时选择性透过可见光。这一红外反射效果也帮助重新反射部分近红外光回到吸光层，有利于吸光层对红外光再次吸收利用，进一步增强器件的光电转换效率及隔热效果。

图4. 通过光学调控层进一步提升隔热性能，同时维持可见光透过率不变。

尽管如此，单层金属银电极的光反射作用还是十分有限，如果想要尽可能多地吸收利用近红外光，可在银电极后添加光学调控层。团队通过使用高折射系数材料和低折射系数材料交替沉积，形成光学调控微腔，在保持整体器件可见光透过率不变的条件下，进一步降低红外光透过率，从而再次增强太阳电池器件薄膜的隔热效果。

总之，这项研究开发了一种同时具备发电和隔热双重功能的半透明太阳电池，增加了光学调控层还可进一步提升器件薄膜的隔热效果。这项工作提出的多功能太阳电池的新概念真正将研究和实际应用联系起来，产学结合，为有机太阳电池推向市场提供了新方向。

参考文献：

Chen Sun, Ruoxi Xia, Hui Shi, Huifeng Yao, Xiang Liu, Jianhui Hou, Fei Huang,* Hin-Lap Yip,* Yong Cao. Heat-Insulating Multifunctional Semitransparent Polymer Solar Cells, Joule (2018),

DOI: 10.1016/j.joule.2018.06.006

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2542435118302423

作者简介：

2003年毕业于香港中文大学材料系，获工学硕士学位。2008年美国华盛顿大学材料科学与工程系获博士学位。2008-2012年华盛顿大学博士后。2013年入选国家高层次人才计划，并於2103年6月加入华南理工大学材料学院任教授。

回国后的工作主要包括：

（一）研究适合印刷制备的大面积有机太阳电池的关键材料、加工工艺及器件结构；

（二）发展新型叠层结构以实现有机太阳电池的效率突破；

（三）研究半透明太阳电池在光伏建筑一体化中的应用；

（四）开发高效、稳定及适合印刷制备的钙钛矿太阳电池及发光器件。

在Nature, Nature Photonics, Adv. Mater., JACS, Energy & Environ. Sci., Adv. Energy Mater. 等期刊发表SCI研究论文140余篇，论文被引用14000余次，H-指数为66，并连续于2014至2017年度入选汤森路透全球材料学科“高被引科学家”。主持国家自然科学基金优秀国家重点实验室专项、中德合作研究项目、面上、科技部国家重点基础研究发展计划课题、广州市科技计划、参与国家自然科学基金委重大研究计划集成项目及科技部纳米科技重点专项项目，并担任华南协同创新研究院印刷新型太阳能电池创新中心主任。

作者访谈

1. 为什么你们想要从事半透明有机太阳电池的设计研究？在研究过程中，又是如何想到要将发电和隔热这两种功能结合起来呢？

叶轩立教授：这两年硅基太阳电池的生产成本不断降低，迟早会成为最为廉价的电能产生技术，这只是时间早晚的问题。所以我们认为，不管是在性能上，还是技术成熟度上，新一代光伏想要取代硅基太阳电池都是十分困难的。然而，硅基光伏存在一些难以克服的缺点，这让它在部分市场中占有率比较低。例如，硅基电池的美观度欠佳、自身重量过大，很难将它们完美整合到城市建筑物中。而有机太阳电池在这些方面就有明显优势，尤其是有机光伏材料颜色可调，可以制成柔性质轻、多彩、半透明的光伏薄膜，同时具备高光伏性能和透明度，可以真正应用到光伏窗户或者光伏玻璃膜上。

    至于为什么想要将发电和隔热两种功能结合起来，是因为太阳隔热膜已经在居住和商业建筑物中广泛应用了，典型代表例如汽车车窗上避光和隔热的玻璃膜，这些太阳隔热膜的结构与半透明太阳电池的结构十分相似。这些方向的应用市场巨大，且与我们的日常生活紧密关联。因此，我们提出只需要在其中引入一层光吸收材料，通过结构设计，就可以实现发电和隔热的双功能结合。

2. 就薄膜透明度和反射率的平衡程度而言，你们所设计的半透明太阳电池与真正完美的太阳隔热膜差距有多大？如果要实现完全理想的太阳隔热膜，还有哪些方面可以提升？

叶轩立教授：即使今天市场上已有多种规格的太阳隔热膜可供选择了，我们仍认为没有真正完美的太阳隔热膜。这与应用场合相关，有些场合需要非常高的透明度但相对较低的隔热率，而有些场合恰恰相反。对于半透明太阳电池来说，由于多加了一个光转换功能，定义完美的太阳薄膜就更加复杂了。但如果我们非要说出最好的太阳薄膜，那么我们应该要努力做到：1）减少太阳电池本征复合损失，增大内量子效率；2）减少电池器件不必要的平行吸收；3）设计更好的器件结构，以实现对紫外光和红外光的全反射。这些都会帮助我们获得同时兼备高透明度、高器件性能、高隔热效率的产品。

3. 与其它已经报道的半透明太阳电池相比，你们设计的电池器件光电转换性能如何？同时，与市场上的太阳隔热膜相比，此电池器件的隔热性能如何？

叶轩立教授：由于我们并没有使用领域内最优的光吸收材料，所以就光电转换性能来看，此电池器件仍有很大提升空间。有机太阳电池的效率在过去两年里提升迅速，可以预见，未来会出现更多的、性能更好的材料。因此，即使现在其性能已经超过最好的硅基光伏窗户薄膜，但半透明有机太阳电池光电转换效率还会继续提升的。

    至于隔热性能，我们电池器件的隔热性能已经与当今市场上最好的太阳隔热膜在同一水平了，红外线隔断率均能达到90%以上。但是，进一步地，我们确信如果继续优化器件结构，红外线透过率会进一步降低，器件的隔热性能还会继续提升。

4. 请问您能在实际应用背景下对你们所设计器件的发电和隔热性能进行评估吗？例如，单个电池器件的产能如何？可以节省多少的制热/制冷消耗？

叶轩立教授：我们可以在这里简单计算一下，对于一个普通家庭住户来说，窗户面积大约是地板面积的15%，因此对于一个100m²的住户，窗户面积大概有15m^{2 [1]}。如果这里所有的窗户都使用了半透明太阳电池薄膜，且其光电转换效率有10%的话，在一个太阳光照射下就会产生15m² x 1000W/m² x 10% = 1.5kW的电能。假设每天日照时间为6小时，那么在一个月的时间范围内，太阳电池可产生 1.5kW x 6hr x 30days = 270kWhr的电能。根据美国能源部研究，美国一户家庭平均每月耗电量为897kWhr^[2]。所以，半透明太阳电池可以帮每户节约了大概30%的耗电，这个数据非常可观。另外，如果在房屋外墙或屋顶再安装柔性有机太阳电池的话，会进一步帮助每户家庭减小耗电量。

    此外，根据美国能源部研究，虽然地域和天气有所不同，但家庭住户制热/制冷的耗电量仍占到整体耗电量的10%-25%^[3]。而3M公司的一项研究也说明，使用了太阳隔热膜的建筑每年大概会节能200kWh/m^2[4]。我们仍以平均窗户面积为15m²为例，使用了太阳隔热膜的建筑每月会节能200kWhr/m² x 15m² / 12month = 250kWhr。从这个数据来看，隔热膜对建筑物的温度控制作用又会节省大概20%-30%的耗电量。

    综合上述两项数据分析，结合发电和隔热两种功能的半透明薄膜太阳电池可以帮住户节省超过50%的耗电量！而且，由于有机太阳电池在低光强照射下光电转换效率更高，因此，在夜晚，它还可利用室内灯光产生电能。这样看来，光伏薄膜技术可以全天工作，这也是一项非常有趣的研究。

参考文献：

[1] https://www.energystar.gov/sites/default/files/ESWDS-ReviewOfCost_EffectivenessAnalysis.pdf

[2] https://www.eia.gov/electricity/sales_revenue_price/pdf/table5_a.pdf

[3] https://www.energy.gov/sites/prod/files/energy_savers.pdf

[4] https://multimedia.3m.com/mws/media/1145162O/3m-commercial-window-film-energy-efficiency-brochure.pdf

5. 除了以上问题，您还有什么想补充或强调的吗？

叶轩立教授：目前来看，结合隔热功能的半透明太阳电池仅仅是有机太阳电池领域的一个新的探索。除此之外，本领域内仍有很多其它可能的应用值得开发，例如，将半透明太阳电池薄膜应用到植物温室上，实现整个温室的独立自供能，这也是非常有趣的一个项目。