名家专栏：有机光伏器件系列（下）—半透明有机光伏器件性能提升策略研究
引言：
随着新型材料开发和器件工程的创新，有机光伏器件（OPVs）的效率逐步提升，目前已接近商业化应用门槛。寻求高性能OPVs的实际应用落地途径，是推动其未来产业化发展的必由之路。有机半导体材料兼具光学带隙易调控、消光系数高的固有特性，使半透明OPVs成为有机光伏产业化*具潜力的发展方向。与已经商业化的硅基太阳能电池相比，OPVs中所使用的有机半导体材料在制备半透明器件方面具有独特的优势。有机半导体吸收系数在近红外波段通常比直接带隙无机半导体高出1~2个数量级。此外，具有分立吸收带的有机半导体材料，可通过材料设计或器件工程实现对紫外和近红外波段光的选择性吸收，同时在可见光波段保持高透光性。相比而言，传统的硅基太阳能电池具有连续的能带结构，若要提升其透光性，须采用极薄的吸收层，这会大幅牺牲器件的光电转换效率(PCE)。作为传统硅基光伏技术的有益补充，半透明OPVs在建筑光伏一体化、农光互补及柔性穿戴设备等领域展现出广阔应用前景。本文以半透明OPVs为对象，简述北交大张福俊教授团队围绕其性能提升策略所开展的系统性研究工作。
一、提出引入超窄带隙材料作为第三组分，协同优化了半透明OPVs的PCE和平均可见光透过率（AVT）。
在窄带隙体系PTB7-Th:COi8DFIC中，通过引入超窄带隙材料IEICO-4F作为第三组分，可以有效调控COi8DFIC的分子排列，从而促使三元混和薄膜的吸收边有明显的红移，有效增强了有源层对光子的俘获能力（图1a-b）。通过在PTB7-Th:COi8DFIC体系中引入15 wt%的IEICO-4F，半透明OPVs的PCE和AVT分别从7.12%和20.25%提高到8.23%和20.78%[1]。类似地，该团队在PTB7-Th:BDTThIT-4F体系中引入IEICO-4F作为第三组分，将半透明OPVs的PCE和AVT分别从7.53%和24.2%提高到9.40%和24.6%[2]，该方案的有效性得以进一步印证。
图1. (a) PTB7-Th，COi8DFIC，IEICO-4F的归一化吸收光谱；(b) 不同 IEICO-4F 含量的共混薄膜的吸收光谱；(c) 具有不同D18-Cl:Y6-1O 比例的共混薄膜的透射光谱。
二、提出降低给体含量(稀释给体)策略，有效提升了半透明OPVs的AVT。
利用聚合物易形成良好的电荷传输通道的特性，选取聚合物材料为给体并适当降低给体含量，有助于降低有源层对可见光的吸收，从而提高有源层的AVT。降低给体含量的同时，相对增大了受体含量，有助于调节OPVs中的电荷传输的平衡，获得较高的FF。以PTB7-Th为给体，IEICO-4F为受体制备的半透明OPVs中，当给受体质量比从1.2:1.5调控至0.8:1.5时，器件的AVT值由23.7%增加到27.1%，同时获得了9.06%的PCE[3]。在D18-Cl:Y6-1O体系中，当D18-Cl与Y6-1O的质量比从1.1:1.6降至0.7:1.6后，D18-Cl:Y6-1O薄膜的AVT可由30.3%提升至47.3%（图1c），而对应的器件FF也从72.14%提升至75.86%[4]。迄今为止，稀释给体已经被普遍认为是提升半透明器件AVT的有效策略。
三、提出通过调控有源层厚度来平衡半透明器件PCE与AVT的方案。
以宽带隙聚合物PM6为给体，非富勒烯小分子Y6为受体，通过对有源层厚度的微调以平衡光子俘获效率和电荷收集效率，从而实现高效率的不透明OPVs的制备，这为调节有源层厚度实现高效率半透明OPVs提供了参考。当PM6:Y6薄膜厚度从180 nm降至60 nm时，其AVT可从34.4%逐步提升至57.6%（图2a）。在有源层厚度为100 nm时，不透明OPVs的PCE达到*大值为15.83%，有源层薄膜的AVT为50.5%，此时不透明OPVs的PCE与有源层薄膜的AVT实现了*优权衡。采用Au（1 nm）/Ag（10 nm）复合电极为半透明电极，*终制备得到了PCE为12.37%，AVT为18.6%的半透明OPVs[5]。
图2. (a) 不同PM6:Y6共混薄膜厚度的透射光谱；(b) 不同有机半导体材料的归一化吸收光谱；(c) 通过具有10 nm厚银层的半透明OPVs拍摄的照片。
四、提出了“又宽(bandgap)又窄(FWHM)”来甄选半透明OPVs中给体材料的新思路。
“宽”指所采用给体材料的带隙较宽，有助于获得较大的开路电压，“窄”指给体材料吸收光谱的半高全宽(FWHM)比较窄，有利于减弱给体材料在可见光区域的吸收，提高器件的AVT。基于该材料甄选方案，选取吸收光谱FWHM相对较窄（118 nm）的宽带隙材料D18为给体，可减少对可见光的捕获，适配半透明器件的透光需求(图2b)。以D18:N3为有源层制备了一系列半透明OPVs[6]。当D18与N3的质量比从1.1:1.6降至0.7:1.6后，D18-Cl:N3薄膜的AVT可由38.45%提升至50.07%。基于D18与N3质量比为0.7:1.6的半透明OPVs，展现了12.91%的PCE，22.49%的AVT。半透明器件实物图如图2c所示。
五、逐层沉积法是构筑高性能半透明OPVs的另一有效手段。
近年来，逐层沉积(LbL)工艺因可对给受体分层调控，在制备高效率不透明器件方向备受关注，其在半透明OPVs中的应用也逐渐兴起。利用LbL可实现给体层与受体层的独立调控，为提升半透明OPVs的可见光区透光率、强化其近红外区光利用效率创造了更多契机。相较于传统本体异质结(BHJ)结构的半透明OPVs，LbL型半透明OPVs光学损耗更低、稳定性更优，其PCE与AVT之间的制约关系也有所改善，逐渐引起业界研究人员的关注。北交大张福俊教授团队在LbL结构不透明OPVs构筑及动力学研究方面积累了丰富经验（见上文），在此基础上，提出将超窄带隙受体引入给体层，来构筑LbL结构半透明OPVs的新方案。在LbL结构半透明OPVs的给体层中引入合适的窄带隙受体材料并调控其引入比例，一方面可以降低可见光范围内的光子俘获能力，提升半透明器件的AVT；另一方面能够在拓宽有源层在近红外区域的吸收范围的同时提高给体层的激子利用率，进而提升半透明器件的PCE。以PM6为给体，L8-BO为受体制备了一系列LbL结构半透明OPVs[7]。当超窄带隙材料BO-4Cl在给体层的比例从0 wt%增加到40 wt%，LbL结构半透明OPVs的AVT从21.98%提高到27.81%。当在给体层中引入30 wt% BO-4Cl时，LbL结构半透明OPVs的AVT为27.69%，PCE为14.04%，光子利用率（LUE）达到*大值为3.88%。相关半透明LbL-OPVs透射光谱和QUE光谱以及色坐标如图3a, b所示。
图3. (a)半透明LbL-OPVs透射光谱和QUE光谱; (b) 白光光源照射下LbL-OPVs的透过光在CIE 1931色度图上的色坐标。(c) 不同PM6:L8-BO共混薄膜厚度的透射光谱; (d) 蓝色、绿色和红色半透明OPVs的透射光谱（插图：透过蓝色、绿色和红色半透明OPVs拍摄的建筑物照片）。
六、利用法布里—珀罗谐振腔实现系列高效彩色半透明OPVs。
彩色半透明OPVs凭借可调控的色彩外观与光谱选择性，在建筑美学幕墙、艺术化光伏装置、车载彩色天窗、室内装饰隔断、定制化农业光伏温室等强调视觉效果与场景适配性的领域展现出独特应用价值。该团队以PM6:L8-BO为有源层，通过耦合不同的Ag/LiF/Ag法布里-珀罗谐振微腔，实现了一系列彩色半透明器件[8]。首先通过调节有源层的厚度来调节有源层的AVT，当有源层的旋涂转速由3000 RPM提高到5000 RPM时，有源层的AVT由44.36%提高到53.25%（图3c）。基于5000 RPM的转速以及Au（1 nm）/Ag（10 nm）复合电极制备得到了PCE为11.53%，AVT为22.57%，LUE为2.60%的半透明OPVs。在此基础上，耦合了不同的Ag/LiF/Ag 法布里-珀罗谐振微腔，当Ag/LiF/Ag厚度为15/90/25 nm、15/110/25 nm和15/145nm/25nm时，分别实现了蓝色、绿色和红色的半透明OPVs，如图3d所示。相应的PCE/Tpeak值分别为13.80%/37.8%、13.31%/28.4%和13.20%/27.7%。
综上所述，该团队从器件物理角度入手，通过调控有源层光子俘获范围、优化分子排布方式、平衡电荷传输路径提出了一系列优化透明OPVs性能的有效方案。除此以外，国内外研究人员也从材料体系创新、界面能级调控、透明电极优化等多个维度开展了系统性研究工作；在大面积器件制备、长期稳定性提升以及半透明器件典型应用场景的功能验证方向也取得重要进展，为半透明OPVs的持续发展注入了新的活力与动力。这些多维度、多层次的研究成果相互支撑、协同推进，不仅深化了对半透明有机光伏工作机理的认识，也为其早日实现规模化、商业化应用奠定了坚实基础。
参考文献：
1. Ma, X.; Xiao, Z.; An, Q.; Zhang, M.; Hu, Z.; Wang, J.; Ding, L.; Zhang, F., Simultaneously improved efficiency and average visible transmittance of semitransparent polymer solar cells with two ultra-narrow bandgap nonfullerene acceptors. J. Mater. Chem. A 2018, 6 (43), 2148.
2. Hu, Z.; Wang, J.; Wang, Z.; Gao, W.; An, Q.; Zhang, M.; Ma, X.; Wang, J.; Miao, J.; Yang, C.; Zhang, F., Semitransparent ternary nonfullerene polymer solar cells exhibiting 9.40% efficiency and 24.6% average visible transmittance. Nano Energy 2019, 55, 424.
3. Hu, Z.; Wang, Z.; Zhang, F., Semitransparent polymer solar cells with 9.06% efficiency and 27.1% average visible transmittance obtained by employing a smart strategy. J. Mater. Chem. A 2019, 7 (12), 7025.
4. Hu, Z.; Wang, J.; Ma, X.; Gao, J.; Xu, C.; Wang, X.; Zhang, X.; Wang, Z.; Zhang, F., Semitransparent organic solar cells exhibiting 13.02% efficiency and 20.2% average visible transmittance. J. Mater. Chem. A 2021, 9 (11), 6797.
5. Hu, Z.; Wang, Z.; An, Q.; Zhang, F., Semitransparent polymer solar cells with 12.37% efficiency and 18.6% average visible transmittance. Sci. Bull. 2020, 65 (2), 131.
6. Xu, C.; Jin, K.; Xiao, Z.; Zhao, Z.; Ma, X.; Wang, X.; Li, J.; Xu, W.; Zhang, S.; Ding, L.; Zhang, F., Wide Bandgap Polymer with Narrow Photon Harvesting in Visible Light Range Enables Efficient Semitransparent Organic Photovoltaics. Adv. Funct. Mater. 2021, 31 (52), 2107934.
7. Xu, W.; Zhou, H.; Tian, H.; Zhang, L.; Du, J.; Yao, J.; Jeong, S. Y.; Woo, H. Y.; Zhou, E.; Ma, X.; Zhang, F., Achieving light utilization efficiency of 3.88% and efficiency of 14.04% for semitransparent layer-by-layer organic solar cells by diluting donor layer. Chem. Eng. J. 2025, 508, 161148.
8. Xu, C.; Zhao, Z.; Kan, L.; Tao, S.; Ma, X.; Zhu, X.; Wang, K.; Zhang, J.; Li, J.; Zhang, F., Colorful Semitransparent Organic Photovoltaics with Record Key Parameters by Optimizing Photon Utilization and Fabry‐Pérot Resonator Electrode. Adv. Opt. Mater. 2023, 12 (10), 2302285.
作者简介：
张福俊，北京交通大学教授
教育背景：
1995-1999年，中央民族大学 应用物理学（学士学位）；
2002-2007年， 北京交通大学 光学（博士学位），留校工作；
2007年讲师; 2009年破格副教授、硕士生导师； 2010年入选“红果园”人才计划 ；
2011年博士生导师； 2013年破格教授； 2014年入选“卓越百人”人才计划；
2018年 晋级三级教授； 2024年晋级二级教授
科研项目：
主持国家自然科学基金（2008年、2013年、2016年、2019年、2021年、2022年、2023年）青年、面上、国际合作与交流等7项；
主持北京市自然科学基金（2012年、2019年、2022年）3个面上项目；
主持高等学校基本科研业务费专题、卓越百人计划项目等2项；
主持合作开发横向项目（2022年、2023年、2024年、2026年）等。
参与工信部重点专项、国家自然科学基金集成项目、面上项目等
研究方向：
有机光电子材料与器件
光电信息工程
13810146393
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