综述：半透明有机光伏器件活性层材料的研究进展

《Journal of Energy Chemistry》：Research progress on active layer materials for semi-transparent organic photovoltaics

半透明有机光伏（STOPVs）通过分子设计策略调控近红外（NIR）和近紫外（NUV）吸收材料，平衡光转换效率（PCE）与可见透射率（AVT），拓展建筑一体化光伏、智能窗户等应用场景，需进一步优化器件稳定性和规模化生产。

　　

余海林|王嘉宇|严晨祺|孙惠亮|程佩|陈一旺

广东赣南师范大学化学与材料科学学院，广州341000

摘要

半透明有机光伏（STOPVs）作为一种极具前景的技术，适用于需要同时实现发电和可见光透射的多功能、高效能应用领域，例如建筑集成光伏、智能窗户和透明电子显示器。要实现高性能的STOPVs，关键在于合理设计活性层材料，以平衡光电转换效率（PCE）和平均可见光透射率（AVT）。本文综述了STOPVs活性层材料的最新进展，特别关注了近红外（NIR）和近紫外（NUV）吸收剂的分子设计策略，以及这些定制的吸收特性如何提升PCE和AVT。此外，我们还指出了关键挑战，并概述了推动STOPVs走向商业应用所需的研究方向。

引言

随着全球能源需求的持续增长和可持续发展的紧迫性，太阳能作为一种清洁、可再生的能源来源受到了广泛关注。作为太阳能利用中最具前景的技术之一，光伏（PV）技术近年来取得了迅速发展。然而，新兴的应用场景越来越多地要求光伏器件具备轻量化、机械柔韧性和可见光透射性等附加特性，以实现无缝集成。基于有机半导体的有机光伏（OPVs）因其低成本、柔韧性、轻量化和可溶液加工性而受到重视[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]。更重要的是，有机半导体的光学吸收特性高度可调，能够选择性地吸收近紫外（NUV）或近红外（NIR）光子，同时保持可见光透射性，从而实现半透明有机光伏（STOPVs）[7]、[8]、[9]、[10]。通过合理的供体-受体选择和光谱定制，STOPVs可以同时实现发电和可见光透射。这种组合为多种应用场景提供了可能，包括建筑集成光伏[11]、[12]、[13]、农业温室[14]、[15]、[16]、智能窗户[17]、[18]和车辆天窗[19]（图1）。

图2a展示了STOPVs的典型结构。高平均可见光透射率（AVT）对于STOPVs的实际应用至关重要，尤其是在需要保持视觉清晰度的建筑窗户中[22]、[23]。同时，实现高光电转换效率（PCE）仍是光伏器件的主要目标。然而，这两个指标存在矛盾：提高AVT通常会导致光吸收减少和PCE下降[24]、[25]、[26]。解决这一矛盾的根本在于选择合适的活性层材料吸收光谱。通过分子设计，可以使这些材料在近红外（NIR）或近紫外（NUV）区域选择性吸收光子，同时最小化可见光谱区域的吸收[27]、[28]。例如，使用宽带隙（WBG）供体材料（具有较高的最高占据分子轨道（HOMO）能量水平）可以提高开路电压（V_OC），从而在不牺牲可见光透射率的情况下提升PCE[29]。另一方面，窄带隙（NBG）材料具有强NIR吸收能力，可以通过吸收更多NIR范围内的光子来有效提高短路电流密度（J_SC），从而提升PCE[30]。通过优化WBG和/或NBG材料的组合，可以使STOPVs同时具备高PCE和AVT[31]、[32]。此外，器件工程的创新，如透明电极的优化和光学结构的应用，可以进一步提高光利用效率（LUE = PCE × AVT）[33]。最近在分子设计和器件工程方面的进展使得最先进的STOPVs实现了超过6%的LUE值[34]、[35]。

本文旨在全面概述STOPVs活性层材料的最新进展。首先，我们总结了NIR吸收供体和受体以及NUV吸收供体，并选取了一些代表性分子进行详细讨论。同时，我们探讨了指导这些材料设计的基本原理，并探讨了如何通过多种分子工程方法提升其在NUV或NIR区域的吸收能力。最后，我们指出了STOPVs活性层材料的关键未来研究方向，强调需要进一步创新以提高器件稳定性和可扩展性，使其更接近商业应用。

部分摘录

STOPVs活性层材料的设计与最新进展

在本节中，我们总结了NIR吸收供体和受体以及NUV吸收供体的研究进展和设计策略。如图2c所示，增强分子内电荷转移（ICT）和延长有效共轭长度是开发NIR吸收材料的关键策略[27]、[36]。相反，减弱ICT和抑制醌式共振则有助于构建NUV吸收供体[37]。

结论与展望

本文综述了STOPVs活性层材料的最新进展，重点关注NIR吸收供体、NIR吸收受体和NUV吸收供体。延长π共轭长度和增强ICT效应等策略已被证明能有效将吸收带向NIR区域红移。相反，通过D-D共轭骨架抑制ICT和减少醌式结构是重要的分子设计手段

作者贡献声明

余海林：撰写初稿、概念构思。 王嘉宇：撰写、审稿与编辑、监督、资金申请、概念构思。 严晨祺：撰写、审稿与编辑、监督。 孙惠亮：撰写、审稿与编辑、监督。 程佩：撰写、审稿与编辑、监督、资源协调、资金申请、概念构思。 陈一旺：撰写、审稿与编辑、监督。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者感谢国家自然科学基金（项目编号52573206、52403331和52403239）以及先进聚合物材料国家重点实验室（sklpme2024-2-15）的财政支持。

余海林于2025年在四川大学高分子科学与工程学院获得博士学位，目前在该校程佩教授的课题组进行研究。他的研究方向是高性能半透明有机光伏的制备与应用。