Skalbara semitransparenta organiska solceller med robust tolerans för filmtjocklek för byggnadsintegrerad fotovoltaik

Fönster som själv producerar energi

Föreställ dig att glaset i kontorsbyggnader eller hemmets fönster kunde fungera som tysta, osynliga kraftverk — släppa in dagsljus samtidigt som det genererar elektricitet och till och med hjälper till att hålla rummen svalare. Denna studie visar hur man bygger sådana ”kraftfönster” med organiska solceller som både är genomskinliga och effektiva, och som kan tillverkas i storlekar och med tjocklekar som är praktiska för verkliga byggnader.

Varför genomskinliga solceller är svåra

Konventionella solpaneler är ogenomskinliga eftersom de absorberar så mycket ljus som möjligt för att maximera energiutbytet. Semitransparenta organiska solceller måste hitta en fin balans: de behöver släppa igenom tillräckligt med synligt ljus för att fortfarande kännas som fönster, men samtidigt fånga tillräckligt med ljus för att producera användbar elektricitet. Hittills har detta tvingat forskare att använda extremt tunna aktiva lager — mindre än 80 nanometer tjocka — framställda med giftiga halogenerade lösningsmedel under strikt kontrollerade laboratorieförhållanden. De sköra, ultratunna filmerna fungerar på små testceller, men är mycket svåra att reproducera över stora ytor. När de skalas upp till fönsterstora moduler kollapsar deras prestanda ofta, och bara lite mer än hälften av cellnivåns effektivitet överlever vanligtvis i den slutliga panelen.

En ny metod för tjocka, transparenta kraftfönster

Forskarteamet angrep problemet från två håll samtidigt. För det första använde de en strategi med ”donor-utspädning” i det ljusabsorberande skiktet, där andelen av donormaterialet — som absorberar mest synligt ljus — minskas och andelen acceptormaterial ökas, vilket är mer transparent i det synliga spektrat men fortfarande aktivt i nära infrarött. För det andra, istället för att spincoata små enheter, använde de slot-die-beläggning — en tryckliknande metod som kan täcka stora ytor — tillsammans med ett ofarligt, icke-halogenerat lösningsmedel i vanlig luft. Med ett särskilt donor–acceptorpar känt som PM6:Qx-p-4Cl finjusterade de blandningen till ett donor–acceptorförhållande på 1:3 och visade att även relativt tjocka filmer, omkring 120–300 nanometer, kan förbli semitransparenta samtidigt som de levererar stark elektrisk prestanda. I enheter om 1 kvadratcentimeter uppnådde de ljusutnyttjandeeffektivitet över 4 % för tunnare filmer och cirka 3 % för filmer mer än tre gånger tjockare än vanliga designer, allt medan den genomsnittliga synliga transparensen hölls mellan ungefär en tredjedel och en halv.

Hur den mikroskopiska strukturen gör det möjligt

För att förstå varför dessa tjockare, utspädda filmer fungerar så bra undersökte forskarna deras interna struktur och hur de bildas under torkning. Vid traditionell spincoating med hög acceptorhalt klumpar acceptormolekylerna ihop sig till stora, styva regioner, vilket ger dålig kontakt med donorn och skapar flaskhalsar för laddningsrörelse. Däremot, när samma blandning appliceras med slot-die-beläggning på en varm yta, organiserar sig molekylerna medan de fortfarande är i flytande tillstånd. Detta ger ett fint sammanflätat nätverk av smala, fiberlika domäner som förblir lika i storlek även när donorn är kraftigt utspädd. Mätningar av hur exciterade tillstånd rör sig och separeras till laddningar visar att detta nätverk bevarar snabb laddningsgenerering och transport nästan oberoende av blandningsförhållandet. Avgörande är att den typiska sträcka en excitation kan färdas är något längre än dessa fiberbredder, så större delen av den absorberade energin kan nå en gränsyta och omvandlas till användbar laddning.

Från labbenheter till realistiska fönstermoduler

Eftersom strukturen i det aktiva lagret förblir robust även när den är tjock, överförs prestandan hos små testceller ovanligt väl till stora moduler. Teamet byggde en semitransparent modul på 100 kvadratcentimeter bestående av 23 seriekopplade subceller och uppnådde mer än 10 % verkningsgrad samtidigt som de behöll ungefär en tredjedel av den synliga ljusöverföringen. Effektiviteten hos denna fullstora modul bibehöll ungefär 85 % av den effektivitet som mättes i enskilda enheter, en nivå som tidigare endast setts i ogenomskinliga organiska moduler. De integrerade sedan sex sådana moduler i ett 600 kvadratcentimeter stort ”fönster” i en skalmodell av ett hus, där fönstret samtidigt drev en liten display, laddade ett litiumjonbatteri och blockerade största delen av nära-infraröd värme, vilket avsevärt saktade in temperaturökningen inomhus under simulerat solljus.

Vad detta innebär för vardagliga byggnader

För icke-specialister är huvudbudskapet att det nu är möjligt att utforma genomskinliga organiska solbeläggningar som är tjocka, förlåtande i tillverkning och skalbara till fönsterstora moduler utan att förlora mycket prestanda. Genom att noggrant justera materialblandningen och sättet filmerna trycks ut och torkas på skapade författarna ett stabilt, fibröst internt nätverk som fungerar väl även när lagret inte längre är ultratunt. Som ett resultat kan stora semitransparenta paneler både se ut och fungera som riktiga fönster, samtidigt som de genererar meningsfull energi och hjälper till att hantera värme. Detta främjar utsikten att framtida byggnaders glasfasader rutinmässigt kan förse el, lagra energi och förbättra komforten — allt utan att offra utsikt eller dagsljus.

Citering: Wang, T., Fang, J., Zhang, H. et al. Scalable semitransparent organic solar cells with robust film thickness tolerance for building-integrated photovoltaics. Nat Commun 17, 2916 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69537-3

Nyckelord: semitransparenta solceller, byggnadsintegrerad fotovoltaik, organiska fotovoltaiska celler, solfönster, slot-die-beläggning