DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-026-69537-3
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41708612
تاريخ النشر: 2026-02-18
المؤلف: Tong Wang وآخرون
الموضوع الرئيسي: الإلكترونيات العضوية والطاقة الشمسية
نظرة عامة
تستكشف الأبحاث إمكانيات خلايا الشمسية العضوية شبه الشفافة (ST-OSCs) في الطاقة الشمسية المدمجة في المباني (BIPVs)، مع معالجة القيود المفروضة على الطبقات النشطة التقليدية الرقيقة جداً (أقل من 80 نانومتر) التي تحد من نسبة كفاءة الخلية إلى الوحدة (CTM) إلى أقل من 56%. يقدم المؤلفون طريقة لتحقيق شفافية وكفاءة عالية من خلال تحسين تجميع المتقبلات في الخلطات المخففة للمانح، باستخدام المذيبات غير الهالوجينية المعالجة في الهواء المحيط.
من خلال التركيز على نظام PM6:Qx-p-4Cl، تكشف الدراسة عن آلية جديدة لتكوين الأفلام وعملية توليد الشحنات، مما يبرز أهمية هيكل شبكة الألياف وحجم التجميع المناسب لتعزيز الأداء في خلايا ST-OSCs المخففة للمانح. تشير النتائج إلى أن خلايا ST-OSCs بمساحة 1 سم² وبسماكات طبقة نشطة تبلغ 119 نانومتر و301 نانومتر تحقق كفاءات استخدام الضوء (LUEs) تبلغ 4.04% و3.02%، على التوالي. علاوة على ذلك، يظهر نموذج أكبر بمساحة 100 سم² نسبة CTM ملحوظة تبلغ حوالي 85% إلى جانب LUE ملحوظ، مما يبرز التقدم المحرز في تكنولوجيا ST-OSC.
مقدمة
تناقش مقدمة ورقة البحث الإمكانيات التحويلية للطاقة الشمسية المدمجة في المباني (BIPVs)، وخاصة من خلال استخدام الطاقة الشمسية شبه الشفافة، التي يمكن أن تحول الأغطية التقليدية للمباني إلى مصادر طاقة ذاتية الاستدامة. يتم تسليط الضوء على خلايا الشمسية العضوية (OSCs) كمرشحين واعدين لهذا التطبيق بسبب قدرتها على تنظيم فجوة الطاقة البصرية وشفافيتها الفطرية. يركز تطوير BIPV على تحقيق توازن مثالي بين النفاذية المرئية المتوسطة (AVT) وكفاءة تحويل الطاقة (PCE) في خلايا الشمسية العضوية شبه الشفافة ذات المساحات الكبيرة (ST-OSCs)، مع تقييم الأداء من خلال كفاءة استخدام الضوء (LUE)، والتي تُعرف بأنها $LUE = PCE \times AVT$.
تحدد الورقة استراتيجيتين رئيسيتين لتعزيز LUE: تحسين سماكة الفيلم وتعديل نسبة المانح إلى المتقبل (D:A) في الأفلام الرقيقة. تشير الأبحاث إلى أن استخدام الطبقات النشطة الرقيقة جداً (أقل من 80 نانومتر) يمكن أن يحسن LUE، بينما يمكن أن يؤدي تعديل نسبة D:A إلى تعزيز AVT على حساب PCE. ومع ذلك، تواجه كلتا الاستراتيجيتين تحديات كبيرة في التصنيع على نطاق واسع، بما في ذلك تدهور الأداء أثناء التوسع، والسمية البيولوجية للمذيبات الهالوجينية المستخدمة في الإنتاج، والعوائد المنخفضة بسبب متطلبات التحكم الصارمة في السماكة. تسلط هذه القضايا الضوء على الفجوات الحرجة في الدراسات السابقة وتؤكد على الحاجة إلى مزيد من التحقيق في طرق الإنتاج المستدامة لـ ST-OSCs.
طرق
في هذه الدراسة، استخدم المؤلفون مواد متنوعة للتحقيق في أداء الأجهزة الكهروضوئية العضوية. تم الحصول على البوليمر PM6 والمتقبلات غير الكروية، وبالتحديد Qx-p-4Cl وY6 وL8-BO وQx-1، من شركة Hyper، Inc. (الصين). كانت طبقة نقل الإلكترون مكونة من PDINN، التي تم الحصول عليها من شركة Solarmer Materials, Inc. بالإضافة إلى ذلك، تم الحصول على المذيب o-xylene من شركة Sigma-Aldrich Inc.، بينما تم شراء المضاف 1-chloronaphthalene (CN) من شركة TCI. تم استخدام جميع المواد دون تنقية مسبقة. كانت الركائز المستخدمة في التجارب عبارة عن زجاج/ITO كبير المساحة، تم الحصول عليها من شركة Youxuan New Energy Technology Co., Ltd.
نتائج
يقدم قسم “النتائج” في ورقة البحث النتائج الرئيسية المستمدة من التجارب أو التحليلات التي تم إجراؤها. عادةً ما يتضمن بيانات كمية، وتحليلات إحصائية، وتمثيلات بصرية مثل الرسوم البيانية أو الجداول التي توضح نتائج الدراسة. غالبًا ما تتم مقارنة النتائج مع الفرضيات أو التوقعات الأولية، مما يبرز الاتجاهات أو الأنماط المهمة التي لوحظت في البيانات.
في هذا القسم، قد يبلغ المؤلفون عن مقاييس محددة، مثل المتوسطات والانحرافات المعيارية أو قيم p، لدعم ادعاءاتهم. بالإضافة إلى ذلك، يتم مناقشة أي علاقات أو علاقات سببية تم تحديدها من خلال البحث، مما يوفر رؤى حول تداعيات النتائج. بشكل عام، يخدم هذا القسم لنقل الأدلة التجريبية التي تدعم استنتاجات الدراسة، مما يمهد الطريق للنقاشات والتفسيرات اللاحقة.
مناقشة
في هذا القسم، يناقش المؤلفون تقييم أداء خلايا الشمسية العضوية (OSCs) أثناء التوسع، مقدمين نسبة كفاءة الخلية إلى الوحدة (CTM) كمقياس رئيسي. تكشف النتائج أن CTM لخلايا الشمسية العضوية شبه الشفافة (ST-OSCs) أقل بكثير من تلك الخاصة بخلايا OSCs غير الشفافة، خاصة بالنسبة للوحدات التي تتجاوز 100 سم²، حيث تبلغ نسبة CTM للوحدة ST حوالي 56%، مقارنة بـ 88% للوحدات غير الشفافة. يُعزى هذا الفجوة في الأداء إلى زيادة سماكة الطبقة النشطة أثناء الإنتاج، مما يؤدي إلى معدلات إعادة التركيب العالية، وسوء استخراج الشحنات، وانخفاض النفاذية، مما يؤدي مجتمعة إلى تدهور كفاءة استخدام الضوء (LUE) لـ ST-OSCs. لمعالجة هذه التحديات، يقترح المؤلفون تحسين النفاذية المرئية المتوسطة (AVT) للطبقة النشطة وتحسين تحمل سماكة الفيلم، مقترحين استراتيجية تخفيف المانح مع الطلاء بالفتحة كنهج واعد لتعزيز CTM في الإنتاج على نطاق واسع.
تظهر الأبحاث أيضًا أن النسبة المثلى للمانح إلى المتقبل (D:A) للأجهزة المطلية بالفتحة هي 1:3، مما يؤدي إلى LUE عالية تبلغ 3.32% وCTM حوالي 85% لوحدة ST بمساحة 100 سم². يبرز المؤلفون التطبيق الناجح لهذه الوحدات في الطاقة الشمسية المدمجة في المباني (BIPVs)، مما يظهر قدرتها على تشغيل الأجهزة وإدارة تخزين الطاقة في البيئات العملية. تؤكد الدراسة على أهمية الشكل الديناميكي للشحنات في تحقيق أداء عالٍ، حيث تظهر الأفلام المطلية بالفتحة خصائص توليد ونقل شحنات متفوقة مقارنة بالأفلام المطلية بالدوران. بشكل عام، تؤكد النتائج على إمكانيات أجهزة ST المخففة للمانح للتطبيقات الواقعية، خاصة في تعزيز كفاءة ووظائف الوحدات الشمسية في السياقات المعمارية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-026-69537-3
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41708612
Publication Date: 2026-02-18
Author(s): Tong Wang et al.
Primary Topic: Organic Electronics and Photovoltaics
Overview
The research explores the potential of semitransparent organic solar cells (ST-OSCs) in building-integrated photovoltaics (BIPVs), addressing the limitations of conventional ultra-thin active layers (less than 80 nm) that restrict the cell-to-module efficiency remaining ratio (CTM) to below 56%. The authors present a method to achieve high semitransparency and efficiency by optimizing the aggregation of acceptors in donor-diluted blends, utilizing non-halogen solvents processed in ambient air.
Focusing on the PM6:Qx-p-4Cl system, the study reveals a novel film-formation mechanism and charge generation process, highlighting the importance of fiber network structure and appropriate aggregation size for enhancing performance in donor-diluted ST-OSCs. The results indicate that 1 cm² ST-OSCs with active layer thicknesses of 119 nm and 301 nm achieve light utilization efficiencies (LUEs) of 4.04% and 3.02%, respectively. Furthermore, a larger 100 cm² module demonstrates a significant CTM ratio of approximately 85% alongside a notable LUE, underscoring the advancements made in ST-OSC technology.
Introduction
The introduction of the research paper discusses the transformative potential of building-integrated photovoltaics (BIPVs), particularly through the use of semitransparent photovoltaics, which can convert traditional building envelopes into self-sustaining energy sources. Organic solar cells (OSCs) are highlighted as promising candidates for this application due to their ability to regulate optical bandgap and their inherent semitransparency. The focus of BIPV development is on achieving an optimal balance between average visible transmittance (AVT) and power conversion efficiency (PCE) in large-area semitransparent organic solar cells (ST-OSCs), with performance assessed via light utilization efficiency (LUE), defined as $LUE = PCE \times AVT$.
The paper identifies two main strategies for enhancing LUE: optimizing film thickness and modulating the donor-to-acceptor (D:A) ratio in thin films. Research indicates that utilizing ultra-thin active layers (less than 80 nm) can improve LUE, while adjusting the D:A ratio can enhance AVT at the cost of PCE. However, both strategies face significant challenges in large-scale manufacturing, including performance degradation during scaling, the biotoxicity of halogenated solvents used in production, and low yields due to stringent thickness control requirements. These issues highlight critical gaps in previous studies and underscore the need for further investigation into sustainable production methods for ST-OSCs.
Methods
In this study, the authors utilized various materials to investigate the performance of organic photovoltaic devices. The polymer PM6 and non-fullerene acceptors, specifically Qx-p-4Cl, Y6, L8-BO, and Qx-1, were sourced from Hyper, Inc. (China). The electron transport layer was composed of PDINN, obtained from Solarmer Materials, Inc. Additionally, the solvent o-xylene was acquired from Sigma-Aldrich Inc., while the additive 1-chloronaphthalene (CN) was purchased from TCI. All materials were employed without prior purification. The substrates used for the experiments were large-area glass/ITO, sourced from Youxuan New Energy Technology Co., Ltd.
Results
The “Results” section of the research paper presents the key findings derived from the conducted experiments or analyses. It typically includes quantitative data, statistical analyses, and visual representations such as graphs or tables that illustrate the outcomes of the study. The results are often compared against the initial hypotheses or expectations, highlighting significant trends or patterns observed in the data.
In this section, the authors may report specific metrics, such as means, standard deviations, or p-values, to substantiate their claims. Additionally, any correlations or causal relationships identified through the research are discussed, providing insights into the implications of the findings. Overall, this section serves to convey the empirical evidence supporting the study’s conclusions, laying the groundwork for subsequent discussions and interpretations.
Discussion
In this section, the authors discuss the performance evaluation of organic solar cells (OSCs) during upscaling, introducing the cell-to-module efficiency remaining ratio (CTM) as a key metric. The findings reveal that the CTM for semi-transparent organic solar cells (ST-OSCs) is significantly lower than that of opaque OSCs, particularly for modules exceeding 100 cm², where the CTM for the ST-module is approximately 56%, compared to 88% for opaque modules. This performance gap is attributed to increased active layer thickness during production, leading to higher recombination rates, poor charge extraction, and reduced transmittance, which collectively degrade the light utilization efficiency (LUE) of ST-OSCs. To address these challenges, the authors suggest optimizing the active layer’s average visible transmittance (AVT) and improving film thickness tolerance, proposing a donor-dilution strategy combined with slot-die coating as a promising approach for enhancing CTM in large-scale production.
The research further demonstrates that the optimal donor-to-acceptor (D:A) ratio for slot-die-coated devices is 1:3, yielding a high LUE of 3.32% and a CTM of around 85% for a 100 cm² ST-module. The authors highlight the successful application of these modules in building-integrated photovoltaics (BIPVs), showcasing their capability to power devices and manage energy storage in practical settings. The study emphasizes the importance of morphology and charge dynamics in achieving high performance, with slot-die-coated films exhibiting superior charge generation and transport characteristics compared to spin-coated films. Overall, the findings underscore the potential of donor-diluted ST-devices for real-world applications, particularly in enhancing the efficiency and functionality of solar modules in architectural contexts.