"半透明有机光伏智能窗：宽地域适应性设计实现6.05%光利用效率突破"

研究人员针对建筑光伏一体化(BIPV)中透明度与效率的平衡难题，通过建立FoMLUE参数筛选PBOF:eC9:PC61BM三元活性层，结合TeO2/ABPF光学调控，开发出LUE达6.05%的半透明有机光伏(ST-OPV)器件，在炎热气候区实现年节能1.43 GJ m-2，为智能窗的实用化提供关键技术路径。

　　

在碳中和目标推动下，建筑玻璃幕墙如何兼顾采光与发电功能成为新能源领域的重要课题。传统硅基光伏的刚性不透明特性严重制约其在建筑立面的应用，而现有半透明光伏器件普遍面临效率-透明度此消彼长的困境——当平均可见光透过率(AVT)超过30%时，功率转换效率(PCE)往往骤降至10%以下。更棘手的是，不同气候带太阳辐射谱差异导致光伏窗性能波动显著，缺乏普适性解决方案。

香港理工大学的研究团队在《Nature Communications》发表突破性研究，通过建立光利用效率(LUE)评估体系，开发出具有宽地域适应性的半透明有机光伏(ST-OPV)智能窗。该工作创新性地提出材料品质因数(FoM_LUE)，从AVT、带隙和电流密度三维度量化材料潜力，筛选出超宽带隙(2.20 eV)聚合物给体PBOF和窄带隙(1.34 eV)非富勒烯受体eC9构建三元体系，结合非对称光子晶体带通滤波器(ABPF)实现49.62% AVT与12.19% PCE的协同优化，最终获得6.05%的LUE新纪录。地理模拟显示该器件在中国夏热冬暖地区年节能达1.43 GJ m^-2，为BIPV应用树立新标杆。

关键技术包括：1) 通过瞬态吸收光谱(TAS)解析激子动力学；2) 采用掠入射广角X射线散射(GIWAXS)表征分子堆积；3) 构建含371个城市气象数据库的地理适应性模型；4) 空间电荷限制电流(SCLC)法测量载流子迁移率；5) 电致发光量子效率(EQE_EL)量化非辐射复合损失。

【材料筛选与器件优化】

通过FoM_LUE参数系统评估七种给体材料，PBOF以0.084的数值显著优于PM6(0.035)等明星材料。当与FoM_LUE达0.161的eC9及PC₆₁BM构成三元体系时，GIWAXS显示其π-π堆叠相干长度增至17.8 ?，SCLC测得空穴/电子迁移率提升至6.52×10^-4/5.63×10^-4 cm² V^-1 s^-1，实现18.60%的不透明器件效率。

【光学设计与性能突破】

当活性层厚度减至60nm时，ABPF结构通过700-900nm波段全反射使器件AVT提升至49.62%，光学模拟证实该设计使激子生成率增加1.40 mA cm^-2。对比11nm Ag基准器件，ABPF-ST-OPV的CIE1931色坐标(0.357,0.335)接近自然光，色温4465K呈现中性红色调，CRI保持90.5的高水准。

【多功能性能验证】

热成像显示ABPF器件将物体温升抑制在36.4°C，显著优于普通玻璃(50.0°C)。加速老化测试中，ABPF作为封装缓冲层使T₈₀寿命延长至835小时。地理分析揭示器件在低纬度地区表现优异，其中深圳等夏热冬暖城市年总节能达1.43 GJ m^-2，Pearson分析表明该性能与太阳直射辐射强度(r>0.5)强相关。

这项研究通过"分子设计-光学调控-地理适配"三级创新，解决了ST-OPVs在BIPV应用中的核心矛盾。FoM_LUE参数的提出为材料筛选建立量化标准，ABPF结构实现效率-透明度的协同突破，而基于气候带的地理适配模型则为产业化布局提供科学依据。该工作不仅将LUE纪录提升至6.05%，更开创性地证明光伏窗在建筑节能中的双重收益，为绿色建筑发展提供关键技术支撑。