研究背景
荧光太阳能聚光器（Luminescent Solar Concentrators, LSC）是一种半透明的光伏器件，其工作原理是利用波导结构将器件中发光材料吸收太阳光后发射的荧光光子汇聚到聚光器的边缘。汇聚后的光子被与LSC耦合的太阳能电池片吸收，从而实现光电转换。LSC器件有望提高太阳能利用效率、降低成本、扩展应用范围，获得了研究界的广泛关注。然而，现有的LSC器件通常结构柔性差，难以满足高层建筑物的非平面玻璃外墙、新能源汽车的全景天幕等场景需求。因此，亟需开发新一代柔性LSC器件，此外，柔性LSC具有造价低、透光度较高、质量轻便、可塑性强、能够利用任意角度的入射光等特点。但是，用于构筑柔性LSC的波导材料存在着长时间光照易老化、吸收系数较大等问题，此外LSC与光伏电池（PV）系统耦合封装工艺繁复也是制约柔性LSC实际应用的主要挑战之一。
文章概述
针对以上挑战，宁波大学张晓伟教授联合南京师范大学甘志星教授和韩山师范学院黄锐教授，共同设计了一种可弯曲的硫醇-烯聚合物波导材料，并利用此种聚合物对易光照氧化的发光材料红荧烯衍生物（TBRb）进行修饰，最终构建了具有强光照稳定性、高效率的柔性LSC-PV集成器件（LSCIPV）。
实验证明，经过硫醇-烯点击反应修饰的红荧烯衍生物的光照稳定性显著提高。硫醇-烯聚点击反应改变了TBRb的偶极矩导致其斯托克位移从0.14 eV增大到0.21 eV，使得重吸收变小。此外，硫醇-烯聚合物的空间位阻效应可抑制TBRb的非辐射复合，使得TBRb的发光效率从74%提高到89%。
图1. 硫醇-烯点击反应修饰的TBRb的光学性能表征。
利用硫醇-烯聚合物的低收缩应力和交联粘合特性，研究团队提出了一种快速制备基于TBRb的柔性LSC-PV集成器件的方法，既在制备柔性聚光器的同时将聚光器与光伏电池耦合并对整个光伏系统进行封装。通过在封装过程中引入减反射疏水层，LSCIPV的能量转换效率（PCE）提高了约5%，同时使得器件的疏水性得到提升，有利于提高器件在下雨天的聚光稳定性。实验表明，器件尺寸为10×10×0.5 cm3的LSCIPV经过300次半圆形折叠，其PCE从1.04%微降为0.97%，LSC与光伏电池的耦合保持良好。经过800小时的紫外灯照射后，LSCIPV的PCE几乎不发生变化。基于实验测试所得数据，团队结合蒙特卡洛光线追踪模拟技术研究了器件尺寸对LSCIPV器件效率的影响，指出当入射面积增大至1平方米时器件的外量子效率仍能维持在1.3%，可以满足大面积应用的实际需求。
图2. 基于TBRb的LSCIPV的制备与器件结构、折叠测试。
图3. 基于TBRb的LSCIPV的光照稳定性表征和蒙特卡洛模拟模拟结果。
总结与展望
该团队开发了一种耐紫外的、可弯曲的硫醇-烯聚合物波导材料，同时通过硫醇-烯点击反应修饰TBRb改善了其光学特性和稳定性，在此基础上制备了基于TBRb的高效、稳定的柔性LSCIPV。此外该团队还首次引入了LSCIPV的概念，简化了LSC 制备与耦合、封装的流程，对推动荧光太阳能聚光器的产业化发展进程具有重要意义。
文章第一作者为宁波大学信息科学与工程学院的张毅博士和西湖大学工学院的郑子达博士。
论文信息：
Engineering Highly Emissive Tetra(t-Butyl)rubrene/off-Stoichiometry Thiol-Ene Hybrids Toward Flexible Luminescent Solar Concentrator-Integrated Photovoltaics with Excellent Stability
Yi Zhang, Zida Zheng, Zhixing Gan*, Rui Huang*, Xiaowei Zhang*
Small Science
DOI: 10.1002/smsc.202400121