物聯網、建築和可穿戴設備中的有機光電技術
Graham Morse1, Richard Harding1, Agnieszka Pron1, Nicolas Blouin2, Hannah Buerckstrummer2, Stephan Wieder,2, David Mueller2, Stephane Berny3
1Merck Chemicals Ltd, Chilworth Technical Centre, University Parkway, Southampton. SO16 7QD, U.K., 2Merck KGaA, Frankfurter Str. 250, 64293 Darmstadt I Germany, 3Merck Selbstmedikation GmbH, Frankfurter Str. 250, 64293 Darmstadt, Germany
Material Matters, 2017, 12.3
在過去幾年中，高性能碳基半導體的開發使得有機光伏 (OPV) 成為一種重要的替代能源。OPV 所使用的新開發活性材料無毒，與傳統太陽能光電的製造過程相比，可實現低成本、環保的捲對捲製造，且能耗低很多。1-3 OPV模組是薄而靈活的積層，可以輕鬆地添加到各種基板和建築材料上，包括玻璃上的標準積層。此外，OPV 系統不會因典型的戶外條件 (例如漫射光和高溫) 而導致效能下降。對於活性材料的調整和適應能力，可創造出符合特定要求的模組化設計，包括顏色、形狀和透明度的選擇。這使得 OPV 可以滿足產品設計師和建築師所要求的更多的功能和美學需求。4 最近，OPV 技術被製造出一個 250 m2 靈活的電力系統，在半透明配置中達到平均約 5% 的電力轉換效率 (PCE)，如 Figure 1.4
圖 1.在米蘭 EXPO 2015 上展出的 OPV 太陽能樹。 A)利用溶液沉積技術製造的一系列 OPV 太陽能模組（圖片上的藍色六角形）連結成一個 >250 m>sup>2 的網路，在白天為電池充電。 B)太陽能樹的樹幹發出 OPV 供電的燈光，在夜間營造出美感的陰影。
物聯網 (IoT) 正在快速發展，並將日常實體物件連接到網際網路，以便識別其他裝置並與之溝通。由於物聯網對生活品質的潛在正面影響，以及預期將帶來的龐大新商機，物聯網已引起人們的極大興趣。5 麥肯錫最近的一項分析總結了物聯網的潛在商業影響，並得出結論：到 2025 年，這些技術的市場預計將增加 11 兆美元之多。6 物聯網成長的一個關鍵技術先決條件是，開發人員能夠使用具成本效益、低耗能且免維護的電源，創造出創新的硬體基礎架構，並應用於辦公室、人類健康和零售業。
基於這些原因，人們對於 OPV 作為建築元件、物聯網和可穿戴裝置能源的興趣與日俱增。在這篇評論中，我們將介紹 OPV 材料和裝置設計的一些最新進展，並詳細舉例說明 OPV 技術在哪些方面可作為能源，從而有可能實現低功耗、低維護和環保的硬體解決方案的更廣泛部署。
OPV太陽能電池設計
Heeger和Sariciftci首先測試了溶液處理的有機光電系統。7 大體異質結 (BHJ) 的概念後來被發展出來8，以最小化激子必須擴散的平均路徑長度，同時最大化裝置內的光吸收。現代合成技術和芳香族系統分子工程工具的普及，使得 BHJ 太陽能電池的材料多樣化。過去 20 年來，實驗室中的 BHJ 太陽能電池效率已從 ~3%8 上升到優於 12%9 。因此，OPV 現在正引起重大的商業興趣，並有望對許多大大小小的新應用產生影響。
BHJ概念
BHJ太陽能電池是透過塗佈或印刷後續層來形成多層堆疊，其中每層都在電荷產生、分離或萃取方面扮演特定的角色。由於每一層都是由可溶性元件的油墨印刷而成，因此每層的設計都必須避免底層的溶解 - 此特性稱為正交性。BHJ 太陽能電池有兩種主要的裝置配置，通常稱為標準與倒置架構 (圖 2)。這些架構是由透明導體開始構成，通常是在透明基板（例如玻璃或塑膠 (PET 或 PEN)）上圖案化的铟錫氧化物 (ITO) 或 ITO-金屬-ITO (IMI)。接下來，導體的透明表面會塗上一層設計來選擇性允許空穴或電子通過的層。這些被稱為中間層、阻斷層或傳輸層的層材來自各種不同的材料類別，從有機分子和聚合物到金屬和金屬氧化物。最普遍的封鎖層是 PEDOT:PSS 或氧化鉬 (Cat. No. 203815)，作為形成陽極的電子封鎖層 (EBL)，以及氧化鋅、PFN 和 PEIE，作為形成陰極的空穴封鎖層 (HBL)。這些材料被設計成可溶解於極性溶劑中，以促進它們與後續 BHJ 的正交性，而後者最容易溶解於非極性芳香族溶劑中。
圖 2.常見的標準和倒置 BHJ 太陽能電池架構示意圖。
體異質結由兩種元件形成。賦予體和接受體都相互溶解在共用的溶劑系統中。油墨乾燥後，在生成的薄膜中會形成富含供體和受體的相，從而形成大體異質結，即相互結合的供體和受體網路。賦予體元件用於傳輸空穴，而接受體元件用於傳輸電子。激子在介面上分離成自由電荷，因此這兩個元件之間需要較大的表面面積。這些材料可以是有機小分子或聚合物，但最流行的系統包含聚合物供體材料和可溶性小分子受體。高效能 BHJ 太陽能電池所採用的聚合物在設計和多樣性方面並不受限，其中最好的聚合物涵蓋了一系列的帶隙，這些帶隙決定了材料吸收光線的能力，並產生各種不同的顏色。最後，互補阻絕層會被應用在 BHJ 的頂部，接著是頂部電極，頂部電極可以是不透明或透明的。在大多數情況下，頂部電極是由銀、鋁或 PEDOT:PSS 製成，可以單獨或結合使用。
材料設計
過去 20 年來，OPV 材料領域取得了巨大的進展。8,9 這些改進既是因為我們對 OPV 裝置的工作原理有了更深入的瞭解，也是因為我們開發了更適合的新型有機材料。由於 BHJ 是施主 (專門用來傳輸空穴) 與受主 (專門用來傳輸電子) 材料的混合物 (圖 3)，因此相互咬合可以有效地將激子分離為自由電荷。一般而言，BHJ 由聚合物、寡聚體或定義小分子、π-共結的給體和富勒烯受體組成10
。
圖 3.OPV 的工作原理是利用最高佔用分子軌道 (HOMO) 與最低未佔用分子軌道 (LUMO) 之間的差異，產生供體聚合物的帶隙 (同樣適用於低聚物和小分子)。
當與富勒烯衍生物共混時，最佳供體聚合物具有 (1) 低於 -5.1 eV 的最高佔用分子軌道 (HOMO) 能級，以確保聚合物：富勒烯/小分子介面的空氣穩定性和有效的電荷分離，從而產生高開路電壓 (Voc)；(2) 在 -3.6 至 -4.0 eV 的最低未佔用分子軌道 (LUMO) 能級，以產生足夠的驅動力來促進激子解離；以及 (3) 相對較低的能帶間隙（1.2 至 1.9 eV），並具有寬廣的吸收光譜，以吸收盡可能多的太陽光，從而產生高的閉路或短路電流 (Jsc)。此外，材料應易於溶解於常見的非氯有機溶劑中，以便於加工。
目前有兩種主要方法可用於實現低帶隙共結材料。
有兩種主要的方法可用來製造低帶隙共結材料，第一種方法是納入能促進在激發狀態下形成類醌結構的單元。第二種方法是在材料骨架中加入交替的電子供給和電子接受分子（圖 4）。通常，聚合物的 HOMO 能級來自於電子豐富的分子，而 LUMO 能級則來自於電子貧乏的單元。這種方法可以非常精確地調整能級以及所得材料的溶解度剖面。
圖 4.低帶隙 OPV 材料的設計原則
OPV 材料可以通過各種過渡金屬催化的交叉耦合反應合成。在合成這些半導體聚合物時，主要採用 圖 5 所示的三種方法。
圖 5.用於 OPV 聚合物的聚合反應
Stille 聚合是合成共結聚合物最通用的方法。它是一種非常穩健的技術，適用於大多數已知的高電子含量單體，例如噻吩和相關衍生物。11 另一種替代方法是鈴木聚合。12 然而，單體或官能基團對鈴木條件的適應性有限，尤其是用於 OPV 的富電子單體，如噻吩和相關衍生物。13 它不需要製備和淨化有機金屬物種，因此使合成過程更短且更具成本效益。然而，只有少數單體被發現適合直接雜芳基化聚合，要充分了解這種合成方法的潛力和限制，還需要更深入的研究。
未來展望
研究界一直非常關注新供體材料的設計。一些最重要的供體聚合物如 圖 6所示。這張圖完美地說明了材料設計的變化。14-19 除了聚合物的開發，小分子供體材料也得到了開發。Bazan 等人的小分子供體材料達到了 7% 以上的效率。
圖 6.OPV 捐贈材料範例
直到最近，受體材料幾乎完全基於富勒烯（圖 7）。該領域的許多研究都集中在微調 HOMO-LUMO 能級，以便在 BHJ OPV 中獲得更高的 Voc 值，並增加材料的溶解度。21,22
然而，自 2014 年以來，使用非富勒烯受體 (NFA) 的 OPV 電池性能大幅提升，效率從 2014 年的 5%23 提升至 2016 年底的 12%。24 此外，NFA 材料的溶解度和能級有可能被調節，使其比傳統富勒烯受體更具靈活性。NFA 也是強大的光吸收劑，這意味著它們對裝置的整體 EQE 有所貢獻。25 NFA 的領域仍非常不成熟，但相信使用 NFA 將可讓研究人員達到高達 20% 的電力轉換效率。
圖 7.OPV 受體材料範例
OPV應用
OPV 技術可以調整，以創造出獨特的顏色和色調選擇 (圖 8A)。此外，由於 OPV 系統重量輕，而且採用溶液沉積技術製造，因此可以輕鬆地將印刷或雷射結構化納入其中 (圖 8B 和 8C)，因此在本質上可以實現更大的設計自由度。這些特性是低功率物聯網的關鍵促成因素，因為許多應用都需要：(1) 客製化設計和外形尺寸；(2) 更高的效能和使用壽命；(3) 低維護的能量採集系統，以及裝置和位置之間的互通性。在此，我們將專注於 OPV 的三種應用，包括都市建築、室內物聯網與可穿戴裝置。
圖 8.A) PV-F 系列（由 EMD 高性能材料公司開發的 OPV 活性油墨）提供了顏色和色調的選擇，同時保持了與用於製造 OPV 模塊的大型 schale 捲對捲加工設備的兼容性。 B) OPVIUS 的 OPV 印刷系統上的定制設計元素。 C) Elektree：由 OPVIUS GmbH 製造的 OPV 電源燈，由一系列葉形 OPV 模組連接而成。
OPV 都會外牆
將 OPV 技術整合至外牆元件的目的之一，是降低建築物的能源消耗與二氧化碳排放量。在美國，能源與環境設計先鋒（LEED）計畫等計畫已證明了這一全球趨勢。歐盟已設定目標，到 2021 年，新建築物的能源消耗將接近零。這需要在能源管理系統和智慧型建築外牆方面做出重大努力。最近更新的 EU 法律包中包括一項「智慧指標」（Smartness Indicator，簡稱 SI）的建議，用以表徵建築與使用者互動的能力，以及自行管理連接能源資產的整體能源消耗的能力。26
現代智慧型建築預計將包含多種互動系統，其範圍將超過目前建築中常見的供暖、通風和空調系統。用于管理照明、安全和安保、能源需求以及个性化功能的系统将变得更加普遍。在城市環境中使用能量收集表面 (玻璃或薄膜) 預計將是更廣泛部署各種物聯網應用的關鍵推動力，這些應用目前依賴電網或使用壽命有限且需要經常維護的電池供電。這些無線解決方案的範例包括用於通風27 和遮陽的感測器和小型電動系統。6
與傳統的 PV 技術相比，OPV 可以更好地滿足設計師和建築師在功能和美學方面的需求，同時還能夠使用建築集成光伏技術。OPV 模組已被整合到各種玻璃外牆和結構膜建築中。其中一個例子是位於亞迪斯阿貝巴的非洲聯盟和平與安全大樓，OPV 用於為整座大樓的照明提供電力，大大降低了大樓的熱負荷（圖 9A）。最近，OPVIUS GmbH 與 BGT Bischoff Glas Technik AG 在 Timo Carl Architecture 的監督下，於 2016 年合作開發出 OPV 整合至建築元件的範例 (圖 9D)。在這裡，OPV 模組被夾在德國馬爾堡現有建築的外部電梯豎井的玻璃擋板中。所產生的電力用於為井道通風，防止熱量積聚。通過證明這些玻璃帷幕符合德國安全標準和建築規範，實現了重大突破。另一個較近期的 OPV 安裝案例是由巴西 SUNEW 創造的 OPV 外牆。
圖 9.A)使用 EMD Performance Materials PV-F 系列和 OPVIUS 技術製作的非洲大陸形狀 OPV 風帆，攝於亞的斯亞貝巴的非洲聯盟和平與安全大樓。 B)使用 OPVIUS GmbH 的 Lisicon PV-F 系列製作的灰色 OPV 模組，顯示效率達 50 W/m2。照片攝於美國芝加哥的 Adaptative Architectures and Smart Materials 會議。 C) SUNEW 在巴西聖保羅的一棟建築中安裝了 OPV 元件。 D) OPV 玻璃幕牆用於德國馬爾堡一部外部電梯的通風。
在城市環境中，隨著智慧型停車收費錶、集中式交通控制系統、主動顯示器，甚至是自動駕駛車輛的管理等應用的普及，預計將出現新的應用。其中一個有趣的方法是利用 OPV 模組的輕量特性，將其整合至公車候車亭或其他基礎設施，以支援「連結城市」的發展 (圖 10A)。此类应用不仅可以通过在夜间提供照明用电来提高消费者的安全性，还可以启用其他设备，例如用于探测空气质量或温度的传感器、用于实时交通监控的连接硬件或电子充电站。
圖 10.A)德高與 Armor 合作發明的離網亭和顯示器概念設計，結合行動技術、電子紙顯示器和 ASCA© 光伏薄膜。B)概念車內部的鳥瞰圖，該概念車配備了多項物聯網應用，使用 OPV 收集能量。 C)車頂配備了 OPV，可用於遮擋陽光、提高能源效率，並為物聯網設備供能。概念 A 配備 ARMOR ASCA OPV 薄膜，概念 B 和 C) 配備 OPVIUS GmbH 技術。
適用於室內 IoT 的OPV
儘管針對室外應用已開發出參考標準光譜 (AM1.5），但由于光源（例如荧光灯、LED、白炽灯、透过窗户的阳光）的巨大差异，室内光测试缺少这样的标准（图 12A）。28 家庭或辦公室環境中最常用的光源是螢光燈或白色 LED，因此它們是技術研究中最常用的照明。它們的照度通常在 200 lux (客廳環境) 到 1000 lux (辦公室環境) 之間，相對應的光強度比 1 太陽條件低約 100 到 500 倍。29 矽太陽電池等成熟的光電技術已被證明可在如此低的光照度下提供足夠的電力。在這種環境下使用光電技術，除了比商用電池更環保之外，對於低維護裝置的製造也很有前景。因此，在過去幾年中，已經出現了許多使用太陽能光電技術的室內產品，包括幾種整合 OPV 的產品 (圖 11)。
圖 11. A)飛利浦遙控器 B)Wholesale太陽能電腦滑鼠 C).STOOL.STOOL.用弧形OPV模組製作的室內照明D)「Citigami」是 LITOGAMI 與 Armor 合作的最新創作，是一套集詩意、娛樂、教育和裝飾於一身的卡片，整齊地結合了超輕、超柔軟的 ASCA© 光伏薄膜作為其唯一的能源。
在室內 IoT 應用方面，OPV 通過增強設計靈活性和美觀性、減輕重量以及最重要的是提高弱光條件下的效率來解決 PV 系統的幾個固有弱點，從而實現更小的系統佔地面積。Cutting 等人在最近的一項研究中報告稱，相對於室外條件，OPV 裝置在 LED 光強度下的效率最高可提高 350%（圖 12B）。在相同的輻照度下，其性能明顯高於競爭對手的 Si-technologies 或 Perovskite 類電池。本研究中使用的 OPV 裝置可達到 20% 以上的 PCE 效率，高於其無機同類裝置。
圖 12A) 不同光源的歸一化功率光譜：1 Sun AM1.5G（線）、2800 K 的白熾燈泡 (紅色方塊)、帶有氙氣燈的太陽模擬器 (棕色菱形)、6500 K 的 CFL (紫色三角形)、LED (綠色菱形)，以及使用 PBTZ-stat-BDTT-8 供體材料和 PV-A600 受體材料製成的 BHJ 的有機太陽電池的歸一化吸收光譜 (藍色圓圈)。B)相對於室外條件，各種光電系統在白光 LED 下的功率轉換增加百分比。圖 B 的數據編譯自參考文獻 31，並已獲得許可。
Lee等人的另一項研究 753998）和 PCBM[70] 受體材料（Cat.No. 684465）在 300 lux 螢光燈下可達到 16% 以上的 PCE。32 有趣的是，此 BHJ 系統在戶外條件下的效能並非最高。研究人員解釋說，性能最佳的系統在此得益於與光源輻照度光譜相匹配的最佳能隙。32 該系統的功率輸出為 13.9 μW/cm2 under 300 lux, which is higher than gallium arsenide and polycrystalline silicon cells reported by Teran et al.5 μW/cm2, respectively, under the same conditions.33 In another study, De Rossi et al. extracted powers of 12.5 μW/cm2 and 9.1 μW/cm2 under 300 lux fluorescent lamp irradiance from DSSC and a-Si, respectively.34 Finally, Lee et al.34 最後，Lee等人的研究顯示，使用100 cm2 的OPV模組所獲得的功率輸出幾乎可達到1 mW，開啟了在弱光條件下多用途光充電系統的大門，Lechene等人最近也證明了這一點。28 超級電容。
總體而言，這些研究強調 OPV 系統已在弱光環境下達到高效率。與其他太陽光電技術相反，OPV 系統的光吸收曲線可以透過各種方法進行微調，例如改變供體和/或受體元件的分子設計、改變它們在 BHJ 中的比例，或是定義一個有利於某些特定形態的製程窗口。
整合 OPV 等靈活、高靈敏度的能量採集系統，可望為未來智慧家庭的多個面向帶來好處，包括連網恆溫器或無線感測器。當考慮到零售產業，物聯網應用有可能徹底改變庫存管理流程和銷售分析，其潛在應用就變得更加廣泛。在這個產業中，物聯網被視為整個價值鏈中改變遊戲規則的工具，包括改善店面佈局和即時追蹤庫存等應用。
OPV用於可穿戴設備的物聯網
自從有機材料的半導體特性首次在設備中得到證實後，將這些技術整合到可穿戴系統的工作就備受關注。就 OPV 而言，Krebs 等人首先描述了一系列將 OPV 整合到成衣和紡織品中的基本策略。35 在這項工作之後，其他研究人員也提出了各種方法，試圖解決將 OPV 整合到可穿戴表面的挑戰。為此，研究人員專注於開發 OPV 裝置的新材料、新沉積技術和創新堆疊。
為此，O'Connor 等人在聚酰亞胺基板上開發了一個可穿戴在皮膚上的系統。作者犧牲了 OPV 材料的電荷傳輸特性，將非最佳化的供體聚合物材料整合到 BHJ 中，並在其他層中加入添加劑，以增加塑化行為。36 與使用 P3HT 作為賦主材料的標準元件相比，他們證明 OPV 裝置在經過循環變形彎曲時，其機械穩定性（可拉伸性）得到了大幅改善（圖 13A）。37 該系統獲得了約 2% 的 PCE。38 Gaudiana 等人深入挖掘堆疊原型，發表了一種突破性的方法，他們設計了可用作紡織纖維的 OPV 線。38 堆疊的光電可行性由線的定制同軸設計來確保，這使得裝置的性能超越了標準平面幾何圖 (圖 13B)。在大多數情況下，這些研究展示了 OPV 與織物整合的潛力，但並未超越單一實驗室原型。為了加速該技術的應用和可擴展性，緬因大學的先進結構與複合材料中心已生產了 40,000 英尺的 OPV 電線，效率達到 7%，並利用 OPV 電線製作了 40 英尺2 的編織物39
。
圖 13.A)描述工作中的 OPV 電池的示意圖。 B)顯示由 OPV 電線組成的編織布的照片。圖片和照片由緬因大學先進結構與複合材料中心提供
與這些努力並行的是，過去幾年來已開發出數種可穿戴式電子產品和可攜式產品供商業使用，為物聯網技術鋪路。预计这些技术将产生影响的市场包括医疗保健（诊断、健康监控）、服装、增强现实、健身和安全。 圖 14B、C 和 D，展示了 OPV 用於戶外裝備（如帳篷、背包和防水夾克）的商業實例。 圖 14A 展示了一款智能包，它通過藍牙與智能手機連接，由 OPV 供電。該包會突出顯示收到的訊息和來電，並在手機遺失時發出警報聲。
圖 14. A)科龍工業量身打造的智慧包，整合有機太陽能模組能源倉儲器（紅色矩形包覆）與NFC技術。 B)科龍工業的星空帳篷，整合LED照明與OPV為能源。C)科龍工業結合 OPV 模組、LED 及藍牙的智慧外套。 D)科龍工業結合 OPV 作為冷卻風扇電源的背包。 E)Armor 以 ASCA© 光電薄膜為能源設計製造的太陽能包。
結論
OPV 技術為需要能量收集系統的產品展現了許多有利的特性。
到目前為止，OPV 技術的第一批應用已經開始出現，包括安裝在智慧建築、都市外牆和薄膜、室內/弱光產品，以及可穿戴和可攜式裝置。我們預計 OPV 系統的持續改進將進一步使其在零售、工作場所、家庭和交通等更廣泛的市場中得以實現。
參考資料
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