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来源：研之成理收集编辑：唐建新教授团队
论文DOI：doi.org/10.1002/adfm.202212260唐建新教授团队通过在柔性衬底背面构筑包含亚波长半球阵列和分布式布拉格反射镜的光谱选择性耦合结构（SSCS），优化了柔性有机太阳能电池（FOSC）在可见光与近红外光的光谱特性，同时大幅增强了器件在中红外波段的发射率，在不显著影响器件效率的前提下，使FOSC的日间工作温度降低9.6 °C，从而延长了器件的工作寿命。该工作从微纳结构光热调控的角度出发，为提高FOSC的工作稳定性提供了新的思路。FOSC具有低成本、轻质、便携、工艺简单等诸多优点，在可穿戴设备、光伏建筑一体化、室内光伏等方面展现出巨大的应用前景。近年来，FOSC领域的研究发展迅速，最高功率转换效率（PCE）已超过18%。然而，FOSC的稳定性不足始终是其商业化进程中的一大阻碍。在影响器件稳定性的众多因素中，热不同于水、氧，无法通过封装工艺有效避免。而FOSC在正午日照下的工作温度最高可达70-80 °C。FOSC在高温下面临的活性层相分离、有机材料分解、功能层老化等诸多问题都会加速器件效率衰减。通过风冷、水冷等散热系统降低器件工作温度是最直接且有效的方法，但不能契合FOSC低成本、轻质、便携的特性。因此，发展适用于FOSC的热调节系统仍是一个挑战。1）通过在柔性衬底上构筑亚波长半球阵列和分布式布拉格反射镜，实现了对FOSC的光谱在可见、近红外和中红外波段的选择性调控。2）基于光热调控结构的FOSC在实际环境中的工作温度降低9.6°C，器件寿命相对提高三倍以上。3）本文所提出的被动散热策略不影响器件内部结构和活性层体系，具有普适性。图1.(a) FOSC的能量转移示意图，(b) 计和(c)不计界面反射情况下FOSC的角分辨辐射功率谱。图1a阐明了FOSC中能量转移的主要路径。在实际工作过程中，FOSC与环境的热量交换主要经由热传导、热对流和热辐射。其中，基于热辐射机制的被动散热系统具有无能耗、工艺简单等优点，有很大的发展潜力。在图1b,c中，作者通过理论计算揭示了界面反射对FOSC辐射散热能力的抑制，尤其是在角度大于50°的方向上，绝大部分的红外辐射都被限制在薄膜内部，无法实现热量从器件到外部环境的转移。图2. (a)SSCS-FOSC器件结构示意图, (b)周期性亚波长半球结构SEM图, (c)不同FOSC器件的吸收光谱, (d)不同柔性衬底的红外发射率谱, (e)平面和(g)图形化PDMS衬底的近场电场分布模拟结果, (f)平面和(h)图形化PDMS衬底的远场光强分布模拟结果。作者通过在PDMS柔性衬底上引入SSCS结构来实现对FOSC器件的光热调控，该结构包含周期性亚波长半球阵列以及基于MgF2/TeO2的DBR（图a,b）。图2c,d所示的光谱表明DBR降低了器件在可见光与近红外光波段的吸收，有效减少了热量的产生，而SSCS结构在中红外波段提高了PDMS衬底的红外发射率。图2e-h展示的FDTD模拟结果证明了亚波长半球阵列对红外发射的外耦合增强效果。近场模拟结果表明，5 μm半球的阵列抑制了界面全反射并打破了波导模式，加强了从薄膜到空气的红外辐射。远场模拟结果证实亚波长半球阵列使薄膜的红外光外耦合在大发射角下（大于30°）获得改善。图3. FOSC器件的(a)J-V曲线, (b) EQE曲线和(c)能量转换谱。所制备的SSCS器件PCE为17.11%，JSC为25.90
mA cm-2，光电流略低于平面器件（图3a,b）。通过理论计算所得到的FOSC能量转换谱表明，SSCS器件产热功率减少了约23.4 W m-2，主要源于DBR在蓝光波段和近红外波段的高反射。图4. (a)测温平台示意图与照片, (b)FOSC红外热像图, (c) FOSC器件温度随时间变化曲线, (d) FOSC器件效率衰减曲线。作者通过红外热像图与热电偶测温证明了SSCS结构对于FOSC器件的降温效果。结果表明基于SSCS的器件在正午太阳光照射下的工作温度约57.2 °C，相较于标件降低了9.6 °C。此外，作者通过长时间监测器件温度与环境温度的变化趋势，证明了辐射能量交换对降低器件工作温度的重要意义。最后，作者对室外光照下的器件效率衰减情况进行了追踪，根据所得数据拟合的基于SSCS的器件具有350天的T80寿命，是标件寿命的三倍以上。该结果证明了光热调控策略可显著改善FOSC的工作稳定性。综上所述，作者通过引入光谱选择性耦合结构实现了对FOSC的光热调控，在增强中红外辐射外耦合的同时阻断了近红外光的吸收。基于该策略制备的FOSC器件PCE超过17%，实际工作温度可降低9.6 °C，在室外光照下获得的T80寿命可达350天。本工作提出的被动散热策略具有普适性，为提高FOSC稳定性提供了新的思路。苏州大学功能纳米与软物质研究院教授，博士生导师。主要从事有机和钙钛矿发光显示器件（OLED，PeLED）在平板显示和固体照明领域的应用研究，新型光伏能源材料与器件，半导体界面物理等研究。发表论文200余篇，论文他引9000余次，授权发明专利20余项，撰写英文专著2部(章)。主持科技部973计划、国家重点研发计划项目、国家自然科学基金、江苏省自然基金重点项目等多项。入选“万人计划”科技创新领军人才、教育部“长江学者奖励计划”青年学者、科技部中青年科技创新领军人才、江苏省“333高层次人才培养工程”第二层次（第六期、第五期）、江苏省“六大人才高峰”高层次人才培养对象。获江苏省科学技术一等奖(排名第1)、教育部 “高等学校科学研究优秀成果奖”自然科学二等奖(排名第1)、江苏省青年科技奖。担任国际期刊《IEEE Electron Device Letters》副主编及《液晶与显示》等多个学术期刊编委。更多科研作图、软件使用、表征分析、SCI 写作、名师介绍等干货知识请进入后台自主查询。