半透明太阳能智能窗诞生，工作30年仍保持80%的性能！或是目前寿命最长的有机太阳能电池｜专访
近日，密歇根大学团队联合浙江大学和天津大学，联合开发一种光伏电池，该电池可用于制造太阳能窗户。这种耐用的设计，给太阳能窗户商业化带来了重要突破。
图 | 一个透明度为 20%、使用寿命为 30 年的太阳能电池（来源：Robert Coelius）
康奈尔大学能源系统工程系终身讲席教授尤峰崎告诉 DeepTech：“该研究提出了寿命可达 30 年的半透明太阳能电池，同时还可将光电转换效率保持在 10% 左右。这应该是目前为止寿命最长的高效率半透明有机太阳能电池。”
据研究人员介绍，这种电池在 55℃ 的温度下运行 1900 小时后，仍能保持 80% 的电池性能。光伏电池的透明度为 40%，未来他们有信心实现 60% 的透明度。
图 | 一个透明度为 20%、使用寿命为 30 年的太阳能电池（来源：Robert Coelius）
9 月 14 日，相关论文以《非富勒烯受体有机光伏具有超过 30 年的潜在运行寿命》（ Non-fullerene acceptor organic photovoltaics with intrinsic operational lifetimes over 30 years）为题，发表在Nature Communications上。
图 | 相关论文（来源：Nature Communications）
研究人员估计，以美国为例如果这种材料能覆盖美国 70 亿平方米左右的玻璃表面，那么它可以满足美国 40% 的能源需求。
此次论文的通讯作者、密歇根大学电气工程专业的斯蒂芬·福雷斯特（Stephen Forrest）教授告诉媒体：“太阳能大概是自工业革命以来人类生产的最便宜的能源形式。在窗户上使用这些设备，你的建筑就变成了发电厂。”
尤峰崎向 DeepTech 分析称：“足够透光又同时能发电的智能窗户是有机光电领域近年来的研究热点之一。30 年的使用寿命基本上和常用硅基太阳能电池差不多，但硅基太阳能电池基本上不透光也一般没法作为窗户使用。”
他继续表示：“该研究的结果也表明这种新型太阳能电池的稳定性也比较强。如果将来能将这种太阳能电池的转换率不断提升到 15% 以上，同时提高它的透明度到至少 60%，应用前景应该非常广阔。”
（来源：Nature Communications）
终极难题之一：如何对抗紫外线？
据了解，透明有机太阳能电池最早于 2017 年问世。当时该团队表示，如果使用的材料能适应紫外线和近红外波长，那么这些波长的光就能在电池中被转化成电能。
那时，研究人员就预测称：“高度透明的太阳能电池引领了未来新能源应用的浪潮。”并表示：“我们分析了它们的潜力，发现通过收集不可见的光，这些设备可拥有类似屋顶太阳能的供电能力，同时它还能提供额外的功能，以提高建筑、汽车和移动电子设备的工作效率。”
近年来，有机光伏电池（OPV，Organic photovoltaic cells）的重量轻、高灵活、成本低、环境友好等特点，引起了人们的广泛关注。
与现有的太阳能技术不同，有机光伏电池的主要使用场景是光伏窗户，由于它的近红外吸收程度很高，同时还能保持半透明，并能在可见光中显示出中性密度。
但是，受到阶梯型非富勒烯受体影响，不透明电池单元中的有机光伏电池功率转化率为 18%，可见透明度为 50% 的半透明单元中的转化率为 10%。
（来源：Nature Communications）
尽管有研究表明，在发光二极管（LED）的照明下，基于非富勒烯受体的太阳能电池能达到较长的运行寿命。但不幸的是，当处于大量紫外线、红外线和高工作温度中等恶劣环境中，这种电池的长期使用能力尚未得到认可。
此外，在同一个非富勒烯受体太阳能电池中，尚未同时实现高效率和长寿命。这让很多人以为，较短的工作寿命是这类电池的固有缺点。
事实上，与有机光伏电池相关的普遍误解是，这些材料在短期内很容易受到体异质结 （BHJ，bulk heterojunction，即两种不同半导体混合形成的结构） 中的降解和形态不稳定性的影响。
（来源：Nature Communications）
然而，上述认知有可能被推翻，此前有科学家预测称，一套热蒸发富勒烯基材料系统大约有 2.7 万年的使用寿命，这为有机光伏电池提供了概念验证，证明它或许具备特殊的运行寿命。
与采用具有高键解离能的 C70 受体的高度稳定器件相比，最有效的非富勒烯受体，包含多个具有相对较弱化学键的噻吩单元，在高紫外线和红外线的光强度下，这些化学键会解离。
因此，基于非富勒烯受体的溶液处理系统的降解机制，仍是一个待解决的难题。除了活性体异质结在材料和形态方面的变化之外，有机/电极界面的特性也会随着时间的推移，而让电池性能受到影响。
尽管科学家们已经研究出修改材料界面来抑制降解的策略，但研究人员在论文中表示，在模拟大气质量（AM） 1.5 G 辐射下，长期稳定的非富勒烯受体太阳能电池尚未实现。
导致这些高性能非富勒烯受体系统不稳定的原因仍不清楚，但这也激励着该团队去研究材料、薄膜形态、器件结构之间的相关性，以及它们与非富勒烯受体太阳能电池可靠性之间的关系。
研究后他们发现，溶液处理的原型单结太阳能电池，具有与受体-供体-受体（A-D-A）型非富勒烯受体太阳能电池相似的效率。他们还发现当用于光伏窗户时，半透明有机光伏电池可实现高性能和低成本。
研究中，为了让太阳能电池用于光伏窗户，研究人员将非富勒烯电池与聚合物 PCE-10 做为给体，并以具有“受体-供体-受体”结构的近红外吸收非富勒烯材料为受体，设计出了新电池。
尽管太阳能电池由包括含硫的非富勒烯受体构成，并且发电效率与硅相当可达到18%，但它们的使用寿命很短。