有机光伏
近日，苏州大学李永舫院士、李耀文教授团队与合作者在Nature Reviews Clean Technology发表题为“Efficiency, stability and scalable deployment of organic photovoltaics”的综述文章。该综述系统总结了有机光伏（organic photovoltaics, OPVs）在高效率材料设计、长期稳定性、可规模化加工、制造成本以及柔性和半透明应用等方面的最新进展，并从效率、稳定性、规模化、成本协同优化的角度，对有机光伏从实验室高效率器件走向实际应用的关键路径进行了深入分析。论文通讯作者是李耀文教授和陈海阳教授；第一作者是朱娟副教授。
有机光伏是一类以有机半导体材料为核心的太阳能电池技术，具有轻质、柔性、可半透明、可低温溶液加工和适合大面积制备等特点。近年来，随着非富勒烯受体材料、给受体分子设计、添加剂工程和界面调控策略的快速发展，有机光伏单结器件的认证光电转换效率已经超过21%，显示出接近商业化应用需求的性能潜力。同时，大面积组件面积超过10 cm2且效率达到15%以上的进展，也表明该技术正在逐步从小面积实验室器件向可规模化制造方向推进。然而，高效率并不等同于真正的应用成熟。当前有机光伏仍面临长期稳定性不足、大面积制备过程中的效率损失、厚膜器件中的电荷传输限制、柔性器件机械可靠性不足以及高性能材料合成复杂度和成本偏高等挑战。因此，如何在保持高效率的同时，实现长期稳定、绿色加工、规模化制造和低成本材料设计，已经成为有机光伏领域从效率竞争迈向应用部署的核心科学问题。
从高效率到可应用：有机光伏发展的新阶段
图1｜有机太阳能电池效率提升与关键材料发展路线
文章首先回顾了有机太阳能电池效率提升的关键驱动因素。非富勒烯受体，特别是Y系列受体的出现，显著拓展了有机光伏材料的吸收范围、能级调控能力和形貌优化空间，使单结器件效率快速提升。与此同时，高性能聚合物给体、非稠环低成本材料、聚合物受体、寡聚受体以及具有可控结晶和聚集行为的新型材料体系，为进一步提高效率和改善加工适应性提供了重要基础。
除活性层材料外，添加剂工程和界面调控同样是推动效率提升的重要手段。液体添加剂、挥发性固体添加剂和非挥发性固体添加剂可以在成膜过程中调控分子聚集、相分离和结晶行为，从而改善激子解离、电荷传输和器件稳定性。自组装单分子层（SAMs）则能够在分子尺度上调节电极功函数、界面偶极、润湿性和界面复合行为，成为高效率有机光伏中极具代表性的界面工程策略。
文章进一步指出，高效率材料的合成复杂度和成本问题不容忽视。许多高性能非富勒烯受体和界面材料依赖复杂的分子结构和多步合成路线，虽然能够带来优异的器件性能，但也可能限制其大规模制备和产业化推广。因此，未来材料设计需要同时考虑光电性能、合成路线、纯化难度、材料成本和长期稳定性，逐步从单一追求效率转向面向应用的综合性能优化。
长期稳定性：制约有机光伏应用的核心瓶颈
图2｜有机光伏器件的降解路径与稳定性设计原则
长期运行稳定性仍然是有机光伏商业化应用面临的关键挑战。文章系统分析了非富勒烯受体有机太阳能电池中的多尺度失效机制，包括有机半导体材料的光化学降解、体异质结形貌在热和光照条件下的演化，以及电极/界面层与活性层之间的界面反应和扩散过程。
在材料层面，部分高性能非富勒烯受体具有较浅的LUMO能级，在光照和氧气存在条件下容易发生电子转移，生成活性超氧物种并诱导光氧化反应。分子中的外环双键、氟代端基和柔性侧链等结构单元也可能成为光降解的敏感位点。因此，稳定化反应位点、限制构象自由度、提高玻璃化转变温度、引入寡聚化或聚合物化结构，是提升本征光化学稳定性的重要策略。
在形貌层面，高效率有机光伏活性层通常处于非平衡、动力学冻结状态。在长期热应力和光照条件下，给受体相区可能发生过度相分离、受体扩散、结晶长大和形貌粗化，导致电荷传输通道破坏和非辐射复合增加。文章强调，未来稳定性设计需要同时从热力学相容性和动力学迁移抑制两方面入手，通过分子相容性调控、交联网络、寡聚受体、聚合物受体和添加剂锁定形貌等策略，实现长期稳定的体异质结结构。
在界面层面，PEDOT:PSS、金属氧化物、SAMs和电子传输层等界面材料均可能在光、热、水氧条件下参与降解过程。界面不稳定会加速电极腐蚀、能级错配、载流子抽取受阻和活性层分解。文章指出，界面层不应只被视为电荷选择性接触，而应作为影响器件效率、稳定性和机械可靠性的主动功能单元进行系统设计。
面向规模化制造：绿色溶剂、厚膜器件与流体动力学调控
图3｜环境友好溶剂加工下的高性能活性层构筑
有机光伏的实际应用离不开可规模化、可持续的制造工艺。文章重点讨论了环境友好溶剂加工、厚膜器件和大面积涂布中的形貌控制问题。
传统高效率有机光伏常使用氯仿、氯苯等卤代溶剂，但这些溶剂不利于绿色制造和产业化放大。采用非卤代、低毒或可再生来源溶剂是未来发展的重要方向。然而，环境友好溶剂通常对高性能有机半导体的溶解能力有限，且蒸发动力学和成膜窗口与传统氯代溶剂不同，容易导致聚集失控和形貌劣化。文章总结了基于Hansen溶解度参数、主客体活性层策略和溶剂耐受型受体设计的研究进展，指出绿色溶剂加工应被视为材料本征可加工性的重要组成部分，而不是后期工艺替代问题。
在大面积制备中，厚膜器件不可避免。较厚的活性层有助于提高涂布均匀性和制造容错性，但也会增强复合损失并限制电荷收集。文章总结了层层沉积、顺序结晶和垂直相分布调控等策略，说明通过时空调控给体和受体的结晶过程，可以构筑具有梯度体异质结结构的厚膜活性层，从而兼顾大面积制备和高效率输出。
此外，文章强调流体动力学在刮刀涂布、狭缝涂布和卷对卷加工中的重要作用。涂布速度、墨水黏度、表面张力、弯月面稳定性、Marangoni流、毛细流和溶剂蒸发过程，会共同影响宏观膜层均匀性和纳米尺度形貌演化。未来有机光伏的大面积制造需要实现材料、墨水和流场的协同设计，使流体动力学从辅助工艺因素转变为可主动调控的核心设计参数。
图4｜厚膜形貌调控与大面积组件性能比较
柔性、半透明与应用驱动的有机光伏
文章还系统讨论了有机光伏在柔性电子、可穿戴器件、建筑一体化光伏和农业光伏中的应用潜力。有机光伏相较传统刚性光伏的独特优势，不仅在于可以发电，还在于其轻质、柔性、半透明和光谱可调的形态自由度。
对于柔性和超柔有机光伏而言，器件性能不仅取决于活性层效率，还取决于基底、电极、界面层和封装层的整体力学协同。银纳米线等柔性透明电极因兼具高透过率、高导电性和良好弯折性能，成为替代脆性ITO的重要方向。通过热压、嵌入式结构、化学焊接和界面修饰，可以降低银纳米线电极粗糙度、减少结点电阻并改善与后续功能层的界面相容性，从而提升柔性器件的效率和机械可靠性。
半透明有机光伏则为建筑窗户、温室和农业光伏提供了新的集成可能。与传统不透明光伏不同，半透明有机光伏需要在电输出、平均可见光透过率、显色指数、光利用效率和长期稳定性之间取得平衡。通过近红外选择性吸收材料、分子堆积调控和活性层厚度优化，可以在保持可见光透过的同时有效收集近红外光，实现发电与采光功能的协同。
图5｜有机光伏的柔性化、形态多样化与半透明应用
展望：从效率记录走向系统级部署
文章最后指出，有机光伏已经进入从实验室效率记录走向系统级应用部署的重要阶段。未来的发展重点不再是单一提高效率，而是要在高效率、长期稳定性、可规模化加工、低成本材料和应用场景适配之间建立可量化、可预测、可制造的协同优化体系。为实现这一目标，未来研究需要加强标准化稳定性测试、加速老化与户外运行数据的关联、低成本高稳定材料体系开发、绿色溶剂和卷对卷制造工艺优化，以及机器学习和高通量实验在材料筛选、墨水配方、形貌预测和工艺窗口优化中的应用。通过从记录效率导向转向应用导向的系统设计，有机光伏有望在可穿戴能源、室内能量采集、建筑一体化光伏、农业光伏和柔性自供能电子等方向发挥独特作用，成为未来清洁能源体系中的重要组成部分。
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