有机光伏（OPV）电池由于具有柔性、质轻、光谱高度可调等优点，成为水下应用中最具潜力的光伏技术之一。相比于标准太阳光谱，水下光谱随着水深的增加而逐渐变窄，OPV材料可以通过精细的结构优化满足不同水深的光谱要求，最大限度地利用光能。此外，柔性OPV电池可与水下离网系统集成，不会显著增加设备的设计复杂性和重量。同时，柔性OPV电池也可以像海带一样在水中漂浮，预期能够降低因洋流、波浪或其他环境因素而造成的损坏风险。尽管这个概念非常吸引人，但目前专注于水下OPV电池开发和应用的研究却相对较少。

在国家自然科学基金委和中国科学院青年创新促进会的支持下，化学研究所高分子物理与化学实验室侯剑辉课题组开发了专为水下应用的OPV电池，同时探索了水下环境对OPV电池性能的影响。根据水下辐照光谱，他们设计、合成了光谱匹配的受体材料ITO-4Cl，这个材料具有优异的抗水性能。得益于ITO-4Cl低的能量无序度，基于ITO-4Cl的OPV电池在1 m水深下实现了25.6%的能量转换效率（PCE），32.5 cm²的柔性模组实现了17%的PCE。在660 nm激光辐照下，基于ITO-4Cl的电池展现出31.6％的高PCE，充分体现了OPV电池在水下无线能量传输方面的应用潜力。当在水下工作时，由于太阳辐射产生的热效应减轻，基于ITO-4Cl的OPV电池寿命超过了7000 h。此外，在受到相当于500米水深的持续高压下，柔性的OPV电池几乎可以保持其初始的PCE。该电池在2000次弯折以后，依然可以保持其初始PCE的90%以上，有利于水流冲击条件下使用。本工作证明了OPV电池在水下应用的潜力，也为OPV电池的独特应用找到了着力点。

相关成果近期发表在Advanced Materials期刊上（https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202402575），论文第一作者为博士研究生王亚菲，通讯作者为化学所侯剑辉研究员和崔勇副研究员。

有机光伏电池的水下应用

高分子物理与化学实验室

2024年5月17日