开发无色透明的太阳能电池，利用无形光发电

［此页面已使用 AI 翻译。］

【研究成果要点】

成功开发出一种无色透明有机太阳能电池（OSC）（* 2），利用隐形的“近红外光（* 1）”发电
已建立有机半导体设计技术，能够透过可见光（* 3），仅吸收近红外光，同时也开发了将近红外光能转换为电能的技术。
预计将是一种无色透明的太阳能电池，可以在建筑物和汽车窗户上发电，同时不影响采光和景观

概述

由大阪大学产业科学研究所的横山创一助理教授、家裕隆教授，以及该校研究生院工学研究科、东京大学物性研究所、青山学院大学理工学部、artience株式会社等机构组成的联合研究团队，成功开发出一种利用人眼不可见的近红外光发电的无色透明有机太阳能电池（OSC）。
由于其灵活性和轻量化设计，OSC有望成为下一代能源技术之一。另一方面，传统OSC通过吸收可见光发电，使其看起来有彩色，这在需要照明和美观的应用中带来了挑战。
在这项研究中，研究团队开发了一种有机半导体材料，能够选择性地吸收几乎不可见光，并且能选择性地吸收近红外光。通过使用这种材料，他们证实了有机太阳能电池可以在保持高透明度的同时发电（见图1）。
凭借这些成就，预计下一代透明发电设备将部署，这些设备可集成于建筑、车窗和可穿戴设备（* 4）。
这项研究结果将于8月4日星期二在线发表在《Journal of the American Chemical Society》上。

[家裕隆教授评论]
近红外光的能量低于可见光，且在太阳能电池中难以利用。在这项研究中，精确的分子设计实现了无色透明和发电功能。我们希望这项研究成果能推动下一代无色透明有机太阳能电池和医疗可穿戴设备的开发。

研究背景

太阳能电池是一种清洁能源技术，发电过程中几乎不排放二氧化碳。为了进一步推广太阳能电池，不仅要利用屋顶和广阔土地，还要利用建筑物、车窗和农业温室等熟悉空间——这些空间此前尚未充分利用——作为发电场所。目前主流硅太阳能电池和新一代钙钛矿太阳能电池展现出高发电性能，但选择性利用阳光发电并不容易。
在此背景下，能够利用有机半导体设计控制阳光波长的轻量且灵活的OSC引起了关注。另一方面，传统OSC主要通过吸收可见光产生电力，导致透射光和反射光的色彩平衡发生变化，从而呈现出彩色外观。因此，在需要日光和美观的场所应用它们存在挑战。因此，需要开发结合“无色透明”和“发电功能”的新型OSC，即可见光通过并通过不可见的近红外线发电（见图2顶部）。

研究内容

研究团队迄今已制定分子设计指南，通过精确控制有机半导体材料的结构和电子状态，选择性地吸收近红外光（2024年6月新闻稿）。基于这些设计指南，我们设计了一种新型单元，能够诱导强烈的分子内相互作用并将其整合进分子，开发出一种既能透过可见光又能吸收近红外光的新材料。这种薄膜高效吸收近红外光，同时展现出高可见光透光率，肉眼几乎无色且透明（见图2，左下角）。此外，开发的分子在吸收近红外光后倾向于产生电荷（* 5），产生的电荷可以在薄膜内高效运输。因此，将该分子纳入发电层的太阳能电池在保持高可见光透明度的同时工作（图2右下角），并在近红外光谱中展现出超过20%的外部量子效率（* 6）。

本研究结果对社会的影响（研究结果的重要性）

这一成就推动了技术，使传统太阳能电池难以安装的地点增加发电功能，同时不影响景观、可见度或采光。此外，由于该技术能吸收部分近红外光用于发电，预计将减少隔热效应和空调所需的功耗。此外，该研究已成功利用我们开发的无色透明有机光电转换器件实现近红外脉冲检测。预计这将使得可隐蔽佩戴的医疗设备以及由环境光供能的自供能传感器中应用。

特别说明

这项研究的结果将于8月4日星期二在线发表在美国科学期刊《Journal of the American Chemical Society》上。
题目：《Laporte-Rule-Guided Molecular Symmetry Control of NIR-Selective Organic Semiconductors for Colorless and Transparent Photovoltaics》
作者：Soichi Yokoyama, Kenta Kuroishi, Shunsuke Tanaka, Yuta Murotani, Ryusuke Matsunaga, Shuhei Kawaoka, Reo Ohno, Miki Hasegawa, Akinori Saeki, Jun Yoshinobu, Yutaka Ie
DOI：10.1021/jacs.6c05512

本研究得到了科学研究资助（20H02814， 20H05836， 20H05841， 20KK0123， 20KAKK15352， 21K14602， 23K17947， 24H00482， 24K08553， JP20H05832）、JST A级研究促进项目（22713577、JPMJSF23B3）的支持，该项目得到了JST未来社会创建项目（JPMJMI22I1）、A-step（JPMJSF23B3）、JST CREST（JPMJCR20R1、JPMJCR20R4）、三菱财团（202310004）、内阁府科技创新委员会以及Society 5.0的BRIDGE项目支持，该项目题为“开发因全球变暖导致生产率显著下降的设施生产热能对策技术”。

术语表

* 1 近红外光
不可见光的波长范围从约780纳米到几微米的阳光。它约占阳光能量的30~40%，大多数到达地表的近红外光会转化为热量。
* 2 有机太阳能电池（OSC）
OSC代表有机太阳能电池。一种使用有机半导体材料作为发电层的太阳能电池。与硅太阳能电池相比，它具有更轻、更薄、更易弯曲且能在大面积上打印等特性。
* 3 可见光
阳光中的光波长大约在400-780纳米之间，由人眼感知。根据波长带的不同，它会出现不同颜色，如蓝色、绿色和红色。
* 4 可穿戴设备
一种佩戴在身上的小型装置。有手表型和贴片型装置，可以贴在皮肤上，用于测量健康状态和生物识别信息，如心率和脉搏。
* 5 充能
带电粒子，如电子或空穴。在OSC中，由光吸收产生的负电电子和正电空穴移动到电极并被提取为电流。
* 6 外部量子效率
入射到太阳能电池的光子数与进入外部电路电流的电荷数之比。值越高表示入射光能高效转化为电能。