Pengenalan

Fotovoltaik Bersepadu Bangunan (BIPV) telah muncul sebagai laluan kritikal untuk peralihan tenaga mampan bandar. Antara pelbagai teknologi, sel solar organik separa telus (ST-OSC) menonjol sebagai calon ideal untuk tingkap berkuasa sendiri kerana jurang jalur boleh tala dan separa ketelusan intrinsik. Walau bagaimanapun, ST-OSC konvensional menghadapi kesesakan utama: untuk mengimbangi ketelusan dan kecekapan, lapisan aktif mesti kekal sangat nipis (di bawah 80 nm), yang mewujudkan cabaran teruk untuk pembuatan industri berskala besar. Turun naik ketebalan kecil boleh menyebabkan penurunan prestasi dramatik, dan pengekalan kecekapan sel-ke-modul (CTM) untuk modul kawasan besar biasanya kekal di bawah 56%.

Satu kejayaan baru-baru ini yang diterbitkan dalam Nature Communications oleh pasukan dari Pusat Sains dan Teknologi Nano Kebangsaan (NCNST) dan rakan usaha sama menangani isu yang sudah lama ini. Dengan menggabungkan strategi pencairan penderma dengan salutan slot-die di bawah keadaan pelarut bebas halogen, para penyelidik berjaya menghasilkan ST-OSC dengan toleransi ketebalan yang luar biasa. Walaupun dengan lapisan aktif ultra-tebal 301 nm, peranti mengekalkan kecekapan penggunaan cahaya (LUE) yang tinggi, dan modul 100 cm² mencapai nisbah CTM kira-kira 85%.

Lonjakan Prestasi dalam Kecekapan Penggunaan Cahaya

Dalam aplikasi BIPV, sel separa telus telah lama menghadapi pertukaran asas: meningkatkan ketebalan lapisan aktif meningkatkan penyerapan foton dan kecekapan penukaran kuasa (PCE), tetapi mengurangkan purata transmisi boleh nampak (AVT) dengan ketara. Industri menilai ST-OSC menggunakan Kecekapan Penggunaan Cahaya (LUE = PCE × AVT) sebagai metrik utama.

Kajian ini memperkenalkan strategi pencairan penderma dengan nisbah D:A 1:3, memanfaatkan struktur rangkaian berserat bahan penerima di bawah keadaan pemprosesan tertentu. Pendekatan ini membolehkan peningkatan ketara dalam ketebalan lapisan aktif sambil mengekalkan ketelusan yang tinggi.

Data yang diperhatikan adalah menakjubkan. Apabila ketebalan lapisan aktif meningkat daripada 119 nm kepada 301 nm, sel berasaskan PM6:Qx-p-4Cl mengekalkan LUE sebanyak 3.02%, menunjukkan keteguhan ketebalan yang luar biasa. Ini menyelesaikan titik kesakitan kritikal dalam pemprosesan kawasan besar di mana kawalan filem nipis terkenal sukar.

Rajah 1 menunjukkan struktur kimia dan spektrum penyerapan sistem PM6:Qx-p-4Cl, trend prestasi merentas nisbah D:A yang berbeza untuk peranti legap dan separa telus, dan menunjukkan bagaimana sistem cairan penderma mengatasi sistem konvensional dalam pengekalan transmisi dan kelebihan LUE merentas ketebalan yang berbeza.

Mekanisme Di Sebalik Toleransi Ketebalan

Mengapa pendekatan pencairan penderma menyelesaikan masalah kepekaan ketebalan? Pasukan penyelidik menjalankan penyiasatan menyeluruh melalui kajian morfologi dan spektroskopi ultrapantas.

Mengenai ciri morfologi, salutan slot-die di bawah keadaan tertentu menggalakkan pengagregatan ideal molekul penerima, membentuk rangkaian seperti fibril saling menembusi yang berterusan. Struktur ini memastikan pengangkutan cas yang lancar walaupun kandungan penderma sangat rendah.

Untuk dinamik eksiton, pengukuran eksperimen mendedahkan bahawa penerima Qx-p-4Cl mempunyai panjang resapan eksiton yang luar biasa panjang iaitu kira-kira 22.34 nm. Ini memastikan bahawa eksiton dapat mencapai antara muka dan berpisah dengan berkesan walaupun dalam sistem tebal dan cair.

Analisis penjanaan cas melalui spektroskopi serapan sementara (TA) mengesahkan bahawa sistem mengekalkan penjanaan cas yang cekap dan stabil merentas ketebalan dan nisbah yang berbeza.

Rajah 2 membentangkan pencirian GIWAXS dan AFM yang mendedahkan struktur rangkaian fibril, bersama-sama dengan spektrum serapan sementara dan lengkung kinetik yang menunjukkan penjanaan dan pengangkutan cas yang teguh dalam sistem cairan penderma.

Dinamik Pembentukan Filem: Slot-Die vs Salutan Putaran

Penyelidikan selanjutnya mendedahkan inti fizikal mengapa salutan slot-die mengatasi proses salutan putaran tradisional.

Tidak seperti salutan putaran di mana filem mengalami pengagregatan seperti letusan dalam keadaan tepu lampau, salutan slot-die pada substrat yang dipanaskan mendorong pengagregatan penerima yang teratur sudah dalam fasa cecair. Ini secara asasnya mengubah laluan evolusi morfologi.

Kawalan kelikatan juga memainkan peranan penting. Pencairan penderma mengurangkan kelikatan larutan, mempercepatkan penyejatan pelarut dan memanjangkan masa penghabluran selepas penipisan filem. Ini menekan pengagregatan penerima yang berlebihan pada ketebalan besar.

Dinamik pembentukan filem yang unik ini memastikan bahawa semasa salutan kawasan besar, kualiti filem kekal kurang sensitif terhadap turun naik parameter proses, faktor kritikal untuk konsistensi pengeluaran industri.

Rajah 3 menunjukkan spektroskopi serapan UV-Vis in-situ yang memantau proses pengagregatan penerima, bersama-sama dengan skema perbandingan mekanisme pembentukan filem di bawah salutan putaran berbanding salutan slot-die, menonjolkan peranan pengawalseliaan kritikal substrat yang dipanaskan terhadap evolusi morfologi.

Prospek Perindustrian dan Aplikasi BIPV

Memanfaatkan kelebihan pemprosesan daripada toleransi ketebalan tinggi, pasukan penyelidik berjaya menterjemahkan teknologi ke dalam aplikasi praktikal.

Pada modul 100 cm², mereka mencapai PCE 10.40% dan LUE 3.32% dengan nisbah CTM mencapai 85%, menetapkan penanda aras baharu untuk modul separa telus besar.

Untuk demonstrasi fungsi BIPV, pasukan membina model rumah berkuasa sendiri dengan tingkap penjana kuasa 600 cm². Eksperimen membuktikan sistem boleh memacu paparan LCD dan mengecas bateri litium.

Manfaat penjimatan tenaga juga sama mengagumkan. Oleh kerana lapisan aktif menyekat 88.28% sinaran inframerah dekat, tingkap sel mengurangkan suhu dalaman kira-kira 9.2°C berbanding tingkap kaca biasa, dengan ketara mengurangkan penggunaan tenaga bangunan.

Ujian kestabilan menunjukkan bahawa selepas 1000 jam pendedahan luar, peranti mengekalkan lebih 82% kecekapan awal, menunjukkan potensi pengkomersilan yang sangat baik.

Rajah 4 memaparkan struktur modul 100 cm² dan statistik kecekapan CTM, bersama demonstrasi aplikasi BIPV termasuk operasi peranti elektronik berkuasa sendiri, penyimpanan tenaga, dan lengkung kesan penyejukan penebat haba yang ketara.

Kesimpulan dan Prospek

Penyelidikan ini menyediakan sokongan kritikal untuk fotovoltaik organik dalam aplikasi bangunan hijau dan internet tenaga melalui beberapa sumbangan utama.

Pertama, ia menurunkan halangan pembuatan dengan memecahkan kebergantungan ST-OSC pada filem ultra-nipis. Toleransi ketebalan tinggi secara langsung diterjemahkan kepada hasil pengeluaran yang lebih tinggi dan kos yang lebih rendah.

Kedua, ia membolehkan pengurangan karbon pelbagai dimensi. Tingkap ST-OSC menyumbang elektrik hijau melalui penjanaan fotovoltaik sambil secara serentak mengurangkan penggunaan tenaga pasif penyaman udara bangunan melalui penebat haba yang sangat baik.

Ketiga, teknologi ini menunjukkan kebolehgunaan yang luas. Strategi pencairan penderma digabungkan dengan pemprosesan pelarut bebas halogen sejajar dengan trend pembuatan hijau, membersihkan halangan untuk fotovoltaik organik bergerak ke arah barisan pengeluaran skala industri.

Semasa dunia maju ke arah neutraliti karbon, penyelesaian tenaga pintar yang mengintegrasikan penjanaan kuasa, penjimatan tenaga, dan daya tarikan estetik ini mengubah setiap bangunan menjadi loji kuasa hijau mikro.

Artikel asal: https://www.nature.com/articles/s41467-026-69537-3

Perspektif Ooitech

Ooitech percaya: pencairan penderma digabungkan dengan salutan slot-die memecahkan kesesakan toleransi ketebalan sel suria organik separa telus, membuka jalan realistik untuk perindustrian BIPV dan penggunaan komersial kawasan besar.