李耀凱，關(guān)詩陶，左立見，陳紅征

高性能半透明有機(jī)太陽能電池的實(shí)現(xiàn)途徑

李耀凱，關(guān)詩陶，左立見，陳紅征

（浙江大學(xué)高分子科學(xué)與工程學(xué)系, 硅及先進(jìn)半導(dǎo)體材料全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 杭州 310027）

半透明有機(jī)太陽能電池(STOSC)能夠同時(shí)發(fā)電和透光, 是極具應(yīng)用前景的新能源技術(shù), 未來可應(yīng)用于建筑物的窗戶和屋頂實(shí)現(xiàn)光電建筑一體化, 以及農(nóng)業(yè)溫室和交通工具等多種領(lǐng)域. 然而, 半透明電池的能量轉(zhuǎn)換效率（PCE）和平均可見光透過率（AVT）的均衡調(diào)諧仍是一個(gè)問題. 理想的高性能半透明有機(jī)太陽能電池需要平衡與提高AVT和PCE, 即在選擇性吸收和利用非可見光譜的光子轉(zhuǎn)換為電能的同時(shí), 透過可見光譜區(qū)域光子實(shí)現(xiàn)透光, 并保持良好的審美觀感和顏色純度. 本文從活性層調(diào)控策略、器件工程和多功能STOSC等多個(gè)角度, 討論和總結(jié)了實(shí)現(xiàn)高性能STOSC的途徑, 為推進(jìn)該技術(shù)的研究和發(fā)展提供有益的參考和建議.

半透明; 有機(jī)太陽能電池; 窄帶隙材料; 器件工程; 光學(xué)工程

太陽能是一種優(yōu)質(zhì)的清潔能源，以硅為基礎(chǔ)的第一代光伏技術(shù)的成熟發(fā)展讓人們看到了利用光伏設(shè)備將太陽光能有效轉(zhuǎn)化為電能的巨大前景. 而有機(jī)半透明太陽能電池（STOSC）不同于硅基太陽能電池的廣譜吸收，其具有吸光層材料帶隙窄、分子設(shè)計(jì)靈活等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)它具有較高的摩爾吸收系數(shù)和較低的載流子遷移率，膜厚一般不超過200 nm，是制備半透明太陽能電池的最佳選擇之一. 目前，由于社會(huì)的發(fā)展，用電需求急劇增加，半透明太陽能電池作為一種補(bǔ)充能源，需要集成于建筑上實(shí)現(xiàn)光伏建筑一體化. 半透明太陽能電池是既能選擇性吸收不可見光區(qū)域光子轉(zhuǎn)化為電能，又能部分透過可見光區(qū)域光子實(shí)現(xiàn)透光的功能器件，具有光電和光學(xué)兩種特性［1］.

Fig.1　Standard solar spectrum for AM 1.5G and photopic response curves(A) and schematic diagram of approaches to achieving high?performance STOSC(B)

AM 1.5G太陽光譜［圖1（A）］由7%的紫外波段（<380 nm）、 50%的可見光波段（380～780 nm）和43%的紅外波段（>780 nm）組成［4］. 理想的半透明器件應(yīng)在紫外區(qū)和近紅外區(qū)域盡可能多地吸收利用光子實(shí)現(xiàn)光子-電子轉(zhuǎn)換，同時(shí)在可見光區(qū)域盡可能多地透過光子. 換言之，實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換與透過的平衡與協(xié)同提高，以提高器件整體的光利用率是半透明太陽能電池亟需解決的關(guān)鍵問題. 為了提高半透明有機(jī)太陽電池（STOSC）的光學(xué)和電學(xué)性能，研究人員做了大量工作，如選擇具有合適吸光范圍的活性層材料；合理選擇界面修飾層改善電荷傳輸和收集能力；選擇具有良好導(dǎo)電率和透光性能的透明電極；引入光學(xué)微腔、介質(zhì)反射鏡等結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)部分區(qū)域的反射或透過增強(qiáng)［5～8］. 目前，STOSC的LUE已經(jīng)突破5.0%，有必要對(duì)實(shí)現(xiàn)高性能半透明有機(jī)太陽能電池的方法進(jìn)行系統(tǒng)總結(jié)，為后續(xù)發(fā)展提供有益借鑒［4，9～12］. 基于此，本文從活性層調(diào)控策略、器件工程和多功能性STOSC等幾個(gè)方面綜合評(píng)述了當(dāng)前高性能STOSC的研究進(jìn)展，討論和總結(jié)了高性能STOSC的實(shí)現(xiàn)途徑［圖1（B）］，期望為推進(jìn)這一具有前景的能源技術(shù)的研究和發(fā)展提供有益的參考和建議.

1 活性層調(diào)控策略

提高有機(jī)活性層材料的光選擇吸收特性和有效調(diào)控活性層的形貌，以實(shí)現(xiàn)高效的激子擴(kuò)散、激子解離和電荷傳輸，對(duì)于解決半透明太陽能電池存在的透過和發(fā)電難以平衡的問題十分關(guān)鍵. 本文將在活性層調(diào)控策略部分重點(diǎn)討論以下幾種調(diào)控措施：活性層材料的設(shè)計(jì)和篩選、三元策略、給受體比例調(diào)節(jié)策略和順序沉積策略.

1.1　半透明活性層材料

STOSC需要對(duì)太陽光選擇性吸收，即實(shí)現(xiàn)強(qiáng)的非可見光區(qū)域光子吸收與可見光區(qū)域光子透過. 具有強(qiáng)選擇性吸收的吸光材料有助于獲得高性能的STOSC. Chen等［9，13］首次報(bào)道了可以定量表征活性層材料或STOSC器件光吸收選擇能力的指標(biāo)（Absorbing selectivity， S），定義為可見光區(qū)域光子透射比與非可見區(qū)域光子吸收比的乘積，作為篩選材料和設(shè)計(jì)器件的參考. 基于S的定義與計(jì)算規(guī)則，研究了IT-4F， IEICO-4F， Y6， BTP-eC11和 H3等近紅外受體分子，發(fā)現(xiàn)H3分子由于在不可見區(qū)域的吸收能量比提高，表現(xiàn)出最佳的吸收選擇性，其S值達(dá)到0.252（IT-4F∶0.058， IEICO-4F∶0.210， Y6∶0.168， BTP-eC11∶0.174）. 結(jié)果表明，基于PCE10∶H3體系制備的STOSC在不作光學(xué)調(diào)控時(shí)可以表現(xiàn)出2.94%的LUE，而基于PM6∶Y6體系的STOSC雖然PCE可以達(dá)到12.20%，但LUE僅有2.25%，這進(jìn)一步說明活性層的光選擇吸收能力對(duì)于實(shí)現(xiàn)PCE和AVT平衡的重要性.

圖2和表1總結(jié)了有機(jī)太陽能電池中具有代表性的給體和受體的分子結(jié)構(gòu)，以及已報(bào)道的STOSC的光學(xué)和光電性能參數(shù). 其中， PCE10是STOSC中常用的中等帶隙聚合物給體材料. 由于富勒烯受體的有限吸收，基于PCE10∶富勒烯的STOSC的PCE<7%. 具有強(qiáng)近紅外吸收能力的窄帶隙非富勒烯受體的發(fā)展促進(jìn)了STOSC性能的提升，如IEICO-4F， IHIC， IUIC， ATT-2， BT-CIC和H3等，吸收邊緣最遠(yuǎn)拓展到約1000 nm，與PCE10搭配可很好地改善PCE和AVT的平衡［14～19］. 研究表明，基于PCE10∶非富勒烯體系的STOSC的LUE可以達(dá)到約3%，但是由于該類體系較高的能量損失阻滯了STOSC性能的進(jìn)一步提高. 而對(duì)于近年來蓬勃發(fā)展的另一類低能量損失體系PM6/D18∶Y系列活性層體系，以此為基礎(chǔ)的不透明有機(jī)太陽能電池的PCE突破了19%［9，20～23］. 但是，由于給體在可見光范圍內(nèi)吸收能力強(qiáng)，導(dǎo)致基于PM6/D18∶Y系列衍生物的STOSC的AVT一般在15%～20%， LUE限制在約3%［24～27］.

Table 1　Photovoltaic and optical performance parameters of recently reported high-performance semitransparent organic photovoltaics

Fig.2　Molecular structures of representative donor and acceptor materials

因此，為了降低STOSC器件的能量損失同時(shí)具有更好的選擇性吸收能力， Duan等［28］設(shè)計(jì)合成的超寬帶隙（光學(xué)帶隙為2.2 eV）聚合物給體PBOF，降低了吸收光譜與人眼視覺光譜之間的重疊度，提高了可見光區(qū)的透過率，器件的LUE為3.05%. Chen等［29］設(shè)計(jì)了與Y系列受體相容性好且能級(jí)匹配的三元共聚物給體PCE10-BDT2F和PCE10-BDT2Cl. 將—F和—Cl功能基團(tuán)接枝到PCE10單元中，從而擁有了比PCE10 更深的能級(jí)及更高的吸光系數(shù)，與Y6搭配制備的STOSC的LUE進(jìn)一步提升至4.46%.

盡管STOSC的性能提升取得了一定進(jìn)展，但是其活性層材料選擇和分子設(shè)計(jì)仍有很大的改進(jìn)空間. 在不進(jìn)行光學(xué)調(diào)控的情況下，聚合物給體∶Y衍生物體系的半透明電池的PCE雖然可以達(dá)到13%～15%，但AVT卻僅有約20%，可見光區(qū)透光本領(lǐng)仍不足. 因此，精心選擇合適的吸光材料，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同區(qū)域光子的合理利用，還需考慮帶隙范圍、能級(jí)匹配和誘導(dǎo)的活性層形貌等. 但是，目前可供選擇的材料，與理想的半透明太陽能電池所需的充分吸收非可見光區(qū)光子，允許可見光區(qū)光子無損透射的要求還有較大距離，是當(dāng)前制約半透明太陽能電池進(jìn)展的主要原因之一，需要繼續(xù)設(shè)計(jì)開發(fā)新型的具有高光選擇性吸收能力的活性層材料.

1.2　三元策略

三元策略也是一種有效提升STOSC性能的途徑. 該策略主要通過加入近紅外區(qū)域或近紫外區(qū)域吸收的給體或受體材料來實(shí)現(xiàn)光譜互補(bǔ)吸收，協(xié)同提高能量轉(zhuǎn)換與透過；另外，加入第三組分可調(diào)節(jié)活性層形貌，實(shí)現(xiàn)高效的激子解離和電荷傳輸，從而提高光子利用率. 三元策略可以提升有機(jī)太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換同時(shí)不影響可見光子的透過，從而實(shí)現(xiàn)高性能的STOSC.

在二元系統(tǒng)中加入吸收帶邊緣為800～1100 nm的受體分子，可以提高器件的光電流密度. Zhang等［48］使用PCE10-COi8DFIC和窄帶隙非富勒烯受體IEICO-4F構(gòu)建了三元活性層體系，加入15%的IEICO-4F后，混合膜的吸收邊緣產(chǎn)生了紅移［圖3（A）］，增強(qiáng)了近紅外區(qū)的吸收. 三元器件的sc從22.3 mA/cm2提高到23.97 mA/cm2， PCE從10.72%提升到11.94%. Li等［34］研究發(fā)現(xiàn)，第三組分BTTPC（質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%）與Y6受體制備的三元電池可以更好地實(shí)現(xiàn)STOSC性能平衡， PCE從12.8%提高為13.1%， AVT從19.31%改善為22.35%. 這可以解釋為， BTTPC與Y6主體受體分子具有相似的分子骨架結(jié)構(gòu)，與Y6分子相容性良好，形成了緊密混合的類合金相受體混合物［圖3（B）］，從而改善了形貌，增強(qiáng)了載流子動(dòng)力學(xué)和電荷傳輸，該三元合金策略制備的STOSC的LUE為2.92%［49～51］.

Fig.3　Multi?component strategy

（A） Normalized absorption spectra of PCE10， COi8DFIC and IEICO-4F， and photographs of the STOSC devices［48］；（B） normalized absorption spectra of PM6， Y6， BTTPC and Y6∶BTTPC films， and photographs of the STOSC devices［34］；（C） normalized absorption spectra of FC-S1， PM6 and Y6-BO， photopic response curves， and photographs of the STOSC devices［52］.

（A） Copyright 2018， Royal Society of Chemistry；（B） Copyright 2020， Wiley?VCH；（C） Copyright 2022， Wiley?VCH.

Chen等［52］在PM6∶Y6-BO中加入寬帶隙給體FC-S1（3.0 eV）構(gòu)建了FC-S1∶PM6∶Y6-BO三元系統(tǒng)，顯著降低了400～700 nm波長范圍內(nèi)的光吸收［圖3（C）］. 結(jié)果表明，三元器件的AVT從PM6∶Y6-BO體系的32.34%提高至49.28%，允許更多的可見光透過器件. 另外，寬帶隙材料避免給受體在近紅外區(qū)的競爭吸收，獲得了更高的光電流. 這說明吸收利用近紫外區(qū)域光子是提升STOSC性能的有效途徑 之一.

此外，三元策略可有效平衡PCE和AVT，并降低能量損失，改善載流子行為. Zhu等［53］合成了不對(duì)稱非富勒烯受體SN，具有高偶極矩，可以提高發(fā)光特性，進(jìn)而降低非輻射損失. 基于PM6∶Y6∶SN的不透明器件在非輻射損失為0.15 eV時(shí)，仍有14.3%的PCE. 將SN作為第三組分加入到PM6∶Y6中，基于PM6∶Y6∶SN的STOSC在Ag電極厚度為10 nm時(shí)， LUE達(dá)到2.83%，同時(shí)PCE仍能超過14%，這要?dú)w功于SN分子拓展的近紅外吸收能力和降低的電壓損失. Zheng等［33］將階梯型二噻吩萘基受體DTNIF加入到PM6∶Y6體系中，改善了共混薄膜的結(jié)晶度和-堆積模式，實(shí)現(xiàn)了增強(qiáng)和更平衡的電荷傳輸，從而改善了器件的oc和FF. 結(jié)果表明，基于PM6∶Y6∶DTNIF體系的STOSC可以實(shí)現(xiàn)13.48%的PCE以及22.58%的AVT. 上述研究成果表明，提升三元有機(jī)太陽能電池性能的方案，如降低能量損失和改善電荷傳輸行為等，同樣可以提升STOSC的性能. 然而，對(duì)于STOSC的能量損失和電荷動(dòng)力學(xué)行為的研究還不夠深入，如超薄活性層薄膜下添加劑用量和后處理?xiàng)l件對(duì)形貌的影響等，這些差異值得進(jìn)一步 探索.

1.3　給受體比例調(diào)控策略

窄帶隙非富勒烯受體的發(fā)展推動(dòng)了STOSC性能的提升，但是能夠與之搭配的給體有限，特別是與Y系列受體搭配的給體更是鮮見. 寬帶隙給體PM6雖然能級(jí)與相容性匹配，但是其在可見光區(qū)的強(qiáng)烈吸收嚴(yán)重阻礙了器件光學(xué)性能的提高［54］. 因此，在不過度影響器件光電性能的前提下，可以通過降低在可見光區(qū)有強(qiáng)烈吸收的給體含量，或者增加在近紅外區(qū)有強(qiáng)烈吸收的受體含量，即調(diào)節(jié)給受體比例，實(shí)現(xiàn)非可見區(qū)域吸收與可見區(qū)域透過的平衡.

調(diào)整給受體比例雖然能提高可見光區(qū)透過率，但過度聚集和相分離會(huì)導(dǎo)致器件性能驟降，從而導(dǎo)致能量轉(zhuǎn)換與透過失衡. 2019年， Zhang等［46］通過降低PCE10∶IEICO-4F體系中PCE10的含量（D∶A=0.8∶1.5），提高了該體系在可見光區(qū)的透光性. 此外， Sun等［42］提出了一種新的思路——“纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)”. 他們?cè)O(shè)計(jì)合成了一種寬帶隙聚合物PBT1-C-2Cl，可以組裝為纖維納米結(jié)構(gòu)，并作為給體與近紅外吸收的Y6受體組成活性層系統(tǒng). AFM［圖4（A）～（J）］和薄膜深度依賴光吸收譜圖測(cè)試結(jié)果表明，即使添加少量的PBT1-C-2Cl（從1∶1到0.17∶1），其吸收特性、聚合物纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和空穴縱向傳輸通道仍能保持良好，確保了激子解離和電荷傳輸. 如圖4（K）所示的不同D∶A質(zhì)量比率下的STOSC的透光譜圖可見，少量的PBT1-C-2Cl存在可以允許更多的可見光通過，從而改善AVT. 當(dāng)PBT1-C-2Cl∶Y6為1∶1時(shí)，PCE達(dá)到了11.7%， AVT為19.7%. 改變D∶A配比為0.25∶1時(shí)， AVT顯著提高（>40%）， PCE達(dá)到9.1%， LUE為3.65%. 以上結(jié)果進(jìn)一步證明采用纖維網(wǎng)絡(luò)策略可以開發(fā)出具有高LUE的STOSC.

Fig.4　Adjusting donor∶acceptor(D∶A) ratio strategy[42]

（A）—（F） AFM height images（1 μm×1 μm） for PBT1?C?2Cl∶Y6 blend films with different weight ratios；（K） transmittance spectra of PBT1?C?2Cl∶Y6 based ST?OSCs with various D/A weight ratios. Copyright 2020， Wiley?VCH.

除了調(diào)節(jié)給受體比例改善可見光區(qū)透光，還可添加透明材料作為“稀釋劑”，以降低給體質(zhì)量比率，從而提高光的透過率. Yang等［35］提出了一種獨(dú)特的“透明空穴-傳輸網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)”策略，即在二元主體系統(tǒng)中加入超寬帶隙空穴傳輸層PTAA. 加入PTAA可以減少可見光區(qū)吸收強(qiáng)的給體PBDB-T的含量，從而提高可見光區(qū)透光性. 另一方面，如圖5（A）所示， PTAA作為p型空穴傳輸層在三元器件中可以形成透明的空穴傳輸網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使器件保持高效的空穴傳輸能力. 結(jié)果表明，三元STOSC（PBDB-T∶PTAA∶Y1=6∶1∶9）在剛性和柔性襯底上的PCE約為12%， AVT約為20%. 進(jìn)而將這種策略應(yīng)用于PCE10∶F8IC， PCE10∶FOIC和PCE10∶IEICO-4F等多種體系中，進(jìn)一步證明了透明空穴-傳輸網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)提高STOSC性能的有效性.

最近，本課題組［9］結(jié)合給受體比例調(diào)控策略與三元、膜厚控制和光學(xué)調(diào)控等手段綜合優(yōu)化STOSC的光選擇性吸收和光-電轉(zhuǎn)換能力，實(shí)現(xiàn)了LUE突破5.0%. 采用PM6∶BTP-eC9∶L8-BO三元體系作為光活性層，將吸收范圍拓展到了近紅外波段，提高了吸光層的光選擇性吸收能力. 精細(xì)調(diào)控BTP-eC9和L8-BO受體之間的質(zhì)量比率（PM6∶BTP-eC9∶L8-BO=1∶0.65∶0.65），最佳三元不透明器件實(shí)現(xiàn)了19.35%的PCE，相應(yīng)的STOSC的LUE從1.4%（二元）提高到了2.0%. 如圖5（B）～（E）所示，在1∶1.3到1∶3的比例范圍內(nèi)調(diào)節(jié)D∶A， STOSC在350～650 nm范圍內(nèi)的透過曲線明顯發(fā)生改變. 當(dāng)D∶A降低為 1∶2時(shí)，不透明器件性能略微下降至18.23%，而更少的給體比例（D∶A=1∶3）則會(huì)導(dǎo)致PCE迅速下降為16.34%. D∶A=1∶2的半透明器件的LUE為2.5%，優(yōu)于1∶1.3時(shí)的2.0%和1∶3時(shí)的2.2%，進(jìn)一步說明了合理調(diào)節(jié)給受體比例有助于實(shí)現(xiàn)PCE和AVT的平衡，提升了LUE. 最終，在膜厚控制與抗反射層等策略的協(xié)同作用下，制備的STOSC實(shí)現(xiàn)了5.0%的LUE，其中PCE和AVT分別達(dá)到了12.95%和38.67%，成為當(dāng)時(shí)性能最高的單結(jié)STOSC之一.

Fig.5　Adjusting donor∶acceptor(D∶A) ratio strategy

（A） Schematic diagrams of active layers without or with PTAA［35］；（B） normalized absorption spectra of PM6∶L8-BO∶BTP-eC9 blend films at varied D∶A weight ratios of 1∶1.3， 1∶2， and 1∶3， and the yellow area represents the photopic response of human eyes；（C）?curves and （D） EQE and transmittance spectra of the ternary opaque and ST-PV devices at varied D∶A weight ratios of 1∶1.3， 1∶2， and 1∶3；（E） dependence of PCEs on the varied D∶A weight ratios of 1∶1.3， 1∶2， and 1∶3（the error bars represent the standard deviations）［9］.

（A） Copyright 2020， Wiley?VCH；（B）—（E） Copyright 2022， Wiley?VCH.

1.4　順序沉積策略

BHJ活性層的膜厚控制或者給受體比例調(diào)節(jié)通常會(huì)影響到共混膜的形貌，如分子結(jié)晶性能、相區(qū)尺寸、排列取向和堆積等，導(dǎo)致光電性能明顯下降. 因此， BHJ-type器件需要精細(xì)調(diào)控活性層才能形成足夠的界面，確保激子解離和電荷傳輸，又要兼顧PCE和AVT平衡的影響［55］. 順序沉積策略（Sequential deposition， SD），即先旋涂一層給體，再旋涂一層受體，在制備STOSC時(shí)具有一些獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，如可以獨(dú)立控制和調(diào)節(jié)給體和受體層，形成垂直相分布結(jié)構(gòu)，有利于電荷的縱向傳輸和抑制復(fù)合. 此外，給受體界面的減少有利于降低光散射和界面寄生吸收，改善透明度. 本課題組［56］使用分層沉積（Layer by layer， LBL）方法制備了三元不透明電池，相比BHJ-type結(jié)構(gòu)， LBL-type可以形成更好的垂直相分離相貌，從而實(shí)現(xiàn)比BHJ結(jié)構(gòu)的器件更高的sc和FF. 圖6（A）是BHJ和SD策略制備的偽平面異質(zhì)結(jié)構(gòu)（Pseudo planar heterojunction， PPHJ）的STOSC的示意圖， Chen等［57］研究發(fā)現(xiàn)， PPHJ結(jié)構(gòu)的STOSC器件明顯降低了光散射和寄生吸收，有著更小的光學(xué)損失，從而提高了光子利用率， LUE從2.75%（BHJ-type）提升至2.99%（PPHJ-type）.

Fig.6　Sequential deposition strategy

（A） Schematic illustrations of semitransparent devices based on BHJ and PPHJ structures［57］；（B） variation of PCE and AVT verses active layer thickness based on BHJ and SD structure devices；（C） transmission spectra of ST-OPVs fabricated using the conventional BHJ method and our SD method；（D） photographs of the BHJ and SD devices［58］.

（A） Copyright 2022， Wiley?VCH；（B）—（D） Copyright 2021， Wiley?VCH.

SD策略容易通過調(diào)節(jié)膜厚來控制可見光區(qū)域光子. Wei等［58］采用兩步處理法先順序沉積給體PM6，再旋涂受體Y6. 保持Y6膜厚40 nm不變，不斷調(diào)節(jié)PM6膜厚可以提升STOSC的可見光區(qū)透過，并使光電性能有效保持. 結(jié)果表明，在相同的活性層膜厚下，使用SD方法制備的STOSC的PCE和VLT（等同于AVT）總是高于BHJ（D∶A=1∶1.2）結(jié)構(gòu)［圖6（B）和（C）］. 隨著活性層厚度的降低，兩種結(jié)構(gòu)的器件之間的性能差距會(huì)增大. 另外， SD策略制備的STOSC能更好地保持PCE，降低SD結(jié)構(gòu)的薄膜厚度能更有效地提高AVT. 這是因?yàn)閺那€的斜率來看， SD器件的PCE對(duì)膜厚不敏感，而AVT對(duì)膜厚變化敏感. 最后，與BHJ器件相比， SD結(jié)構(gòu)器件的PCE和VLT的此消彼長趨勢(shì)更小，更容易實(shí)現(xiàn)PCE和AVT的平衡. 圖6（D）為BHJ和SD結(jié)構(gòu)器件的照片， SD結(jié)構(gòu)的器件比BHJ結(jié)構(gòu)器件表現(xiàn)出更為良好的顏色觀感.

在順序沉積過程中，不僅要求給體和受體材料有較高的結(jié)晶性和成膜性能，防止被下一層洗掉；同時(shí)還需要兩層中間具有良好的相容性能形成足夠界面，確保高效激子解離和傳輸. Chen等［10］研究發(fā)現(xiàn)，聚合物給體的結(jié)晶性能會(huì)影響SD法制備的薄膜形貌，從而影響STOSC性能. 作者合成了4批不同分子量（n=324000， 408000， 533000， 611000）的窄帶隙聚合物供體PCE10-2F. 結(jié)果表明，在逐層沉積過程中， PCE10-2F的分子量越高越不易受到下一層的沖刷和侵蝕，也更難形成良好的相容界面，導(dǎo)致體系的FF下降. 最終，當(dāng)分子量為533000的PCE10-2F的厚度減小到40 nm時(shí)，最佳STOSC獲得了10.01%的PCE和50.05%的AVT，以及達(dá)到5.01%的LUE.

2 器件工程

活性層調(diào)控可以通過有效地調(diào)整活性層的吸收、形貌和載流子動(dòng)力學(xué)來實(shí)現(xiàn)高性能STOSC. 此外，也可以從透明電極、界面修飾、疊層結(jié)構(gòu)和光學(xué)調(diào)控等器件工程來進(jìn)一步改善STOSC的 光-電性能.

2.1　透明電極

高性能STOSC要求透明電極具有良好的導(dǎo)電性和可見光范圍內(nèi)的高透光性，以及在紫外和近紅外范圍內(nèi)具有高反射率. 實(shí)現(xiàn)這樣理想功能的透明電極仍然是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn). 2013年， Li等［59，60］設(shè)計(jì)開發(fā)了一種嵌入銀網(wǎng)格寬度僅有3 μm的六邊形圖案化的柔性透明導(dǎo)電薄膜，與高導(dǎo)電的PH1000結(jié)合制備的無ITO透明混合電極在保持85 %透光率的同時(shí)，僅有0.5 Ω/sq方阻. 2018年， Ge等［61］在室溫下用甲基磺酸改性PEDOT∶PSS，提高了導(dǎo)電率和透過率，進(jìn)一步推動(dòng)了透明電極的發(fā)展. 2021年， Choy等［62］設(shè)計(jì)開發(fā)了銀納米粒子/多壁碳納米管復(fù)合薄膜作為透明電極，可以實(shí)現(xiàn)14.5 Ω/sq的方阻和約67%的AVT. 2022年， Liu等［44］使用銀納米線（Ag NWs）和PH1000作為透明電極制備了AVT超過80% 的半透明器件. 石墨烯、碳納米管和導(dǎo)電聚合物透明電極的穩(wěn)定性優(yōu)良，且可以通過溶液工藝輕松制造，但它們的導(dǎo)電性和透明度仍有不足［63，64］. 而超薄金屬電極，特別是超薄銀電極由于導(dǎo)電性好、可見光光學(xué)損失少，是目前最常用的透明電極. 但是，超薄銀沉積過程中通常以3D Volmer?Weber 島狀模式生長，使薄膜形成大顆粒結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致薄膜的透光性差和嚴(yán)重的寄生吸收. 為了解決這個(gè)問題，可以引入金屬、無機(jī)物、氧化物或者聚合物作為種子層，或者與其它金屬共蒸等來獲得高質(zhì)量薄膜銀 電極［65］.

在透明銀電極方面，研究人員采用不同的方法來提高電極性能. 如， Kim等［66］在PET基底上旋涂聚乙烯亞胺（PEI）以提高Ag電極的成膜質(zhì)量［圖7（A）］. 另一方面， Li等［67］使用1 nm的金（Au）作為種子層來制備Au/Ag復(fù)合電極，形成了均勻連續(xù)的薄膜電極［圖7（B）］，這種電極具有比純Ag電極和純Au電極更低的方阻，以及350～580 nm更高的透過率. 最近， Chen等［13］發(fā)現(xiàn)，使用氧化鋅納米顆粒/PEI（ZnO NP/PEI）復(fù)合界面可以利用銀液滴與PEI末端胺基之間較強(qiáng)的配位作用，改變銀液滴的Volmer-Weber生長模式，從而形成由小團(tuán)簇體組成的均勻連續(xù)的金屬薄膜. 從AFM和SEM照片［圖7（C）～（F）］可以發(fā)現(xiàn)，與PFN-Br相比，使用ZnO NP/PEI界面制備的電極表面致密均勻，粗糙度從2.27 nm降低為1.61 nm，具有更高的可見光透過率和光選擇吸收能力，在550 nm有31.3%的光透過率 ［圖7（G）］. 此外， Choy等［40］提出了溶液旋涂法，引入銀納米顆粒（Ag NPs）來誘導(dǎo)薄Ag團(tuán)簇生長. 制備的電極（Ag NPs/7 nm Ag）的方阻<15 Ω/sq， AVT為59.3%，具有比單獨(dú)Ag電極（7和15 nm）更低的方阻［圖7（H）］和更高的透光性［圖7（I）］. 基于PM6∶L8-BO的STOSC得到了4.42%的高LUE值和12.8%的高PCE，以及87的顯色指數(shù)（CRI）.

Fig.7　Transparent electrode optimization

（A） Conceptual diagram for the growth mechanism of the Ag film with the PEI nucleation inducer［66］；（B） growth diagram of the pristine Ag layer（up） and Au/Ag hybrid layer（down） on MoOx［67］；（C， D） AFM morphology∶13 nm Ag on PFN-Br（C）， ZnO NP/PEI（D）；（E， F） scanning electron microscopy（SEM） morphology∶13 nm Ag on PFN-Br（E）， ZnO NP/PEI（F）； （G） the absorption profile of the STOSCs with different interfacial layers，. PFN-Br， ZnO NP and ZnO NP/PEI［13］； （H） sheet resistance of films and （I） transmission spectrum of evaporated Ag on ligand-optimized Ag NPs［40］.

（A） Copyright 2015， Springer Nature；（B） Copyright 2017， Wiley?VCH；（C）—（G） Copyright 2021， Wiley?VCH；（H， I） Copyright 2022， Wiley?VCH.

目前， ITO電極的AVT接近90%，方阻為10～15 Ω/sq，超薄銀電極的透光和導(dǎo)電能力與之相比仍有較大差距. 但I(xiàn)TO電極所用的銦是不可再生的稀有資源，開發(fā)高性能的新型透明電極是亟需解決的關(guān)鍵問題之一.

2.2　界面層修飾

界面層同樣影響著半透明器件的光學(xué)和電學(xué)性能. 界面修飾不僅能提高了電荷的提取能力，也能作為光學(xué)間隔層改變器件的內(nèi)光電場分布，還可以通過界面與透明電極之間的相互作用改善金屬電極的薄膜質(zhì)量［68］. 2020年， Li等［69，70］使用富勒烯衍生物Bis-FIMG［圖8（A）］作為界面層制備了STOSC. 一方面， Bis-FIMG具有優(yōu)良的功函數(shù)調(diào)諧電極和導(dǎo)電性、低光吸收以及良好的成膜性能. 另一方面，它還可以作為種子層誘導(dǎo)形成良好電荷收集能力和透光能力的超薄銀電極. ZnO NP/PEI（ZP）復(fù)合界面不僅可以改善超薄銀電極的形貌降低電極寄生吸收，還提高了STOSC器件的電荷收集效率并抑制復(fù)合. 此外， Yip等［71］報(bào)道的PF3N-2TNDI界面層［圖8（B）］可以作為光學(xué)層調(diào)節(jié)光電場和增加電荷產(chǎn)生率，還能與給體組合作為額外的吸光層捕獲光子產(chǎn)生光電流，協(xié)同提升了半透明器件性能.

Fig.8　Interlayer modification strategy and tandem strategy

（A—C） STOSCs with Bis?FIMG［68］（A）， PF3N?2TNDI［71］（B） and 2PACz［32］（C） as interfacial layers；（D） schematic device architecture of selective absorbing tandem ST?PV design［4］. Copyright 2019， Wiley?VCH.

Huang等［32］研究了空穴傳輸層對(duì)半透明電池性能的影響，發(fā)現(xiàn)添加2PACz［2-（9H-carbazol-9-yl）］到混合物中可以自發(fā)地形成一層自組織的陽極界面層［圖8（C）］. 這種自組織層可以代替常規(guī)的PEDOT∶PSS層制備PEDOT-free器件，提高器件性能并簡化器件制備工藝. 基于2PACz的器件比使用PEDOT∶PSS的器件具有更高的光吸收率，并且活性層薄膜的透射率也有所提高. 活性層薄膜的透射率從47.4%（PEDOT∶PSS/BHJ∶2PACz）增加到49.1%（BHJ∶2PACz）. 此外， 2PACz的加入還可以解決低給體含量時(shí)的電荷傳輸問題，在D∶A為1∶3時(shí)，含有2PACz的器件的PCE和AVT分別從15.0%和70.5%提高至16.0%和75.5%，對(duì)應(yīng)的STOSC實(shí)現(xiàn)了在AVT接近20%時(shí)PCE高達(dá)15.2%.

2.3　疊層STOSC

疊層太陽能電池技術(shù)是一種很有前途的光伏技術(shù)，它通過疊加多個(gè)太陽能電池以提高光吸收效率，突破S-Q極限，被廣泛應(yīng)用于不透明器件中. 在STOSC中，疊層策略也可以平衡器件的光電轉(zhuǎn)換與透過，有效減少能量損失. Jen等［72］報(bào)道了一種基于PC61BM和PC71BM富勒烯受體的疊層半透明太陽能電池器件，與給體PIDT-phanQ搭配可以獲得7.4%的PCE和40%的AVT以及100的CRI. 然而，受限于富勒烯受體有限且弱的光吸收，基于富勒烯受體的疊層STOSC的效率僅能介于8%～10%之間. 非富勒烯受體吸收范圍則可以拓展到近紅外波段. 2018年， Yan等［73］使用PCE10∶IEICS-4F作為后電池吸收近紅外區(qū)光子，與基于P3TEA∶FTTB-PDI4的前電池串聯(lián)，制備的疊層STOSC增強(qiáng)了光的互補(bǔ)吸收，獲得了10.5%的高PCE和20%的平均可見光透過率.

窄帶隙受體有良好的近紅外光吸收能力，但制備的單結(jié)STOSC在紫外區(qū)域經(jīng)常存在較大的熱能損失. Jen等［4］研究發(fā)現(xiàn)，鈣鈦礦-有機(jī)疊層半透明器件可以很好地降低STOSC的能量損失. 如圖8（D）所示的疊層STOSC器件結(jié)構(gòu)，以超寬帶隙鈣鈦礦FAPbBr2.43Cl0.57（帶隙2.36 eV，吸收峰525 nm）作為前電池，可選擇性吸收紫外區(qū)域光子以降低熱耗散損失. PCE10∶6TIC-4F（帶隙1.27 eV）作為后電池，可以選擇性吸收近紅外區(qū)域光子減輕透過損失. 降低給體PCE10含量還能進(jìn)一步改善器件在可見光區(qū)透光能力. 這種鈣鈦礦-有機(jī)疊層策略充分利用寬帶隙鈣鈦礦吸收高能光子和窄帶隙有機(jī)太陽能電池吸收近紅外光子，有效降低了整體的熱能損失和透過損失. 最終，疊層STOSC實(shí)現(xiàn)了5.9%的PCE和62%的AVT，以及最高5.66%的LUE值. 截至目前，仍是LUE最高的STOSC器件.

因此，選擇合適的疊層結(jié)構(gòu)，綜合考慮透光率、光子利用率及能量損失等因素，在開發(fā)高效 ST-OPV時(shí)非常重要. 但是，疊層器件對(duì)中間層的要求較高，此外，其復(fù)雜結(jié)構(gòu)和制備工藝在一定程度上也限制了其快速發(fā)展.

2.4　光學(xué)調(diào)控

利用光學(xué)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)選擇性反射或透射特定波長的光，是制備高性能半透明太陽能電池的一種常用策略. 光學(xué)調(diào)控的設(shè)計(jì)思路一般可以引入減反射層、介質(zhì)反射鏡（Dielectric mirror， DM）或者光子晶體等實(shí)現(xiàn)對(duì)光路的調(diào)節(jié). 其中，光子晶體通常是由不同折光指數(shù)的介質(zhì)層交替堆疊組成，介質(zhì)層的厚度和折射率（1，2，1，2）存在如下關(guān)系∶

調(diào)節(jié)材料的折射率和膜厚可以實(shí)現(xiàn)特定反射波長的相長干涉，從而提高該波長范圍內(nèi)的光子利用率. 2017年， Li等［67］使用氟化鋰（LiF）和氧化鉬（MoO）周期性堆疊組成的光子晶體對(duì)P3HT∶PC61BM， PTB7∶PC71BM，和PCE10∶PC71BM多種體系進(jìn)行光學(xué)調(diào)節(jié). 根據(jù)聚合物給體的最大吸收峰設(shè)計(jì)不同中心波長（0）的光子晶體，即調(diào)節(jié)LiF和MoO的厚度和介質(zhì)反射鏡的對(duì)數(shù)（），實(shí)現(xiàn)了對(duì)選定中心波長下的高強(qiáng)度反射. 此外， Martorell等［74］使用LiF/MoO3五層非周期性光子晶體制備的STOSC器件可以接近同體系不透明電池效率的80%. 但是這種光學(xué)設(shè)計(jì)反射特定波長的光大幅提升PCE時(shí)會(huì)嚴(yán)重削弱其他波段光子的透過［75，76］. Li等［68］開發(fā)的一種LiF/TeO2/LiF/TeO2介電多層膜［Distributed Bragg reflector， DBR，圖9（A）］，不僅能提高可見光范圍的透過率，還可以增加近紅外吸收改善PCE和提升中遠(yuǎn)紅外光子的阻隔率（IRR）. 結(jié)果表明，采用DBR設(shè)計(jì)的器件的AVT從24.5%（無DBR）提高到29.5%（有DBR）， IRR為93%， PCE則幾乎不受影響. 隨后，他們［34］還設(shè)計(jì)了兩層光學(xué)反射鏡（LiF和MoO3組合）［圖9（B）］使PM6∶Y6∶BTTPC半透明器件的AVT從22.3%（無DBR）提高到23%， IRR阻隔率從77%（無DBR）提高到90%，同時(shí)還能保持12.3%的光電轉(zhuǎn)換效率.

Fig.9　Optical manipulation strategy

（A， B） STOSCs with LiF/TeO2/LiF/TeO2［68］（A）， MoO3/LiF and CBP/MgF2structures［34］（B）；（C） schematic of the STOSC with ARC layer， outcoupling layer and DBR layer［11］；（D， E） STOSC devices with one capping layer TeO2∶（D） reflectance spectrum［13］；（E） figure?of?merit chart of single?junction ST?OPVs∶LUE versus PCE［9］；（F） diagram of flexible ITO?free top?illuminated devices［77］.

（A） Copyright 2019， Elsevier；（B） Copyright 2020， Wiley?VCH；（C） Copyright 2019， Wiley?VCH；（D） Copyright 2020， Wiley?VCH；（E） Copyright 2022， Wiley?VCH；（F） Copyright 2022， Wiley?VCH.

介質(zhì)反射鏡或者光子晶體，通常是將近紅外區(qū)域光子反射回活性層二次吸收利用從而提高PCE， Forrest等［31］報(bào)道的使用兩對(duì)CBP/MgF2作為光耦合層，不僅能反射近紅外區(qū)域光子到活性層二次吸收利用，還能進(jìn)一步提高可見光透過率和降低光反射率［圖9（C）］. 另外，他們采用減反射層（Anti-reflection layer， ARC）MgF2降低底部玻璃-空氣界面處的光反射，并在光耦和層上方引入由SiO2和SiN周期性堆疊組成的近紅外反射鏡（在650～850 nm有98%的反射率），選擇性反射近紅外光增加光吸收. 結(jié)果表明，最佳STOSC的LUE比沒有光學(xué)層修飾時(shí)提升近2倍，達(dá)到了3.56%.

最近， Li等［30］報(bào)道了8組TeO2和LiF組成的非周期帶通濾波片（LiF/TeO2）8，制備的基于PM6∶BTP-eC9∶L8-BO的STOSC實(shí)現(xiàn)了高達(dá)5.35%的LUE. 但是，上述光學(xué)調(diào)控層往往需要多層結(jié)構(gòu)才能構(gòu)建合適的光學(xué)帶隙，制備工藝復(fù)雜且需要繁瑣的光學(xué)計(jì)算［78］. 本課題組［9，13］研究發(fā)現(xiàn)，在頂部透明銀電極上蒸鍍單層TeO2作為抗反射層，是提高STOSC光選擇性吸收能力一種簡單高效的光學(xué)調(diào)控策略. 光學(xué)模擬結(jié)果顯示，在頂部銀電極上沉積高折射率的TeO2，當(dāng)TeO2厚度為50 nm時(shí)， 400～600 nm的反射損失顯著降低，光電場強(qiáng)度中心從550 nm（無TeO2）移動(dòng)到了450 nm（有TeO2），有效改善了可見光區(qū)的透過率［圖9（D）］. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與光學(xué)模擬結(jié)果一致，蒸鍍50 nm TeO2的STOSC達(dá)到了最佳的光選擇性吸收水平（S=0.12），最佳STOSC的AVT從30.23%（0 nm TeO2）提高到50.09%， PCE從9.75%略微降低到至8.38%，導(dǎo)致LUE從2.94%提高到4.06%. 隨后，本課題組［9］使用類似的光學(xué)管理策略制備的三元STOSC獲得了5.0%的LUE值，是當(dāng)時(shí)LUE最高的單結(jié)STOSC器件［圖9（E）］. 不僅如此， Ag/TeO2的光學(xué)設(shè)計(jì)方案在頂入射器件中也表現(xiàn)出足夠的優(yōu)勢(shì). 最近，本課題組［77，79］報(bào)道的基于Ag/TeO2透明頂電極的無ITO大面積頂入射器件可以實(shí)現(xiàn)與ITO基底相當(dāng)?shù)男阅埽↖TO∶16.45%； Ag/TeO2∶15.60%）. 將Glass/ITO基底更換成柔性PI基底制備的無ITO柔性器件［圖9（F）］可以在4 mm彎曲半徑下彎折105次幾乎沒有性能損失. 以上結(jié)果進(jìn)一步表明，與多層光子晶體相比（表2中黑體部分為各種高性能STOSC采用的光學(xué)調(diào)控設(shè)計(jì)方案），單層TeO2制備方法簡便，光利用效率提升更顯著，為未來OSC的商業(yè)化應(yīng)用提供了一種新的光學(xué)設(shè)計(jì)方案.

Table 2　Optical engineering of semitransparent organic solar cells

3 功能半透明器件

通過合理選擇光活性層材料、優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)和光學(xué)調(diào)控， STOSC可實(shí)現(xiàn)多種功能特性和應(yīng)用場景，如實(shí)現(xiàn)多彩光伏、溫室大棚及保溫隔熱等多種功能，未來還可應(yīng)用于光伏建筑一體化、交通、室內(nèi)等場景. 不同的應(yīng)用場景對(duì)STOSC的性能提出了不同的需求.

3.1　光伏建筑一體化和彩色電池

光伏建筑一體化需要半透明太陽能電池具有中性顏色和高顯色指數(shù)［81］. Li等［37］使用介質(zhì)反射鏡和三元策略制備的基于J71∶PCE10∶IHIC的STOSC實(shí)現(xiàn)了AVT超過21%， CRI接近100的具有中性色彩的高性能STOSC. 三元策略雖然降低可見光區(qū)域的透射光譜的波動(dòng)幅度，但是長波長區(qū)波動(dòng)幅度比二元電池更大，不利于CRI的提高，如圖10（A）所示. 為了提高色彩純度，作者設(shè)計(jì)了介質(zhì)反射鏡 （LiF/MoO3，中心波長0為450 nm）反射400～500 nm波長范圍內(nèi)的光子，降低了三元STOSC在可見光區(qū)域內(nèi)的透射曲線波動(dòng)，使CRI從87（無DBR）提高到97（有DBR）.

Fig.10　Multi?functional STOSCs

（A） STOSCs with Neutral color and high CRI index［37］；（B） colorful STOSCs［86］；（C） heat-insulating functional STOSCs［9］；（D） greenhouse STOSCs［87］；（E） see-through power windows［80］.

（A） Copyright 2019， Wiley?VCH；（B） Copyright 2020， American Chemical Society；（C） Copyright 2022， Wiley?VCH； （D） Copyright 2021， Cell Press；（E） Copyright 2022， American Chemical Society.

通過帶隙調(diào)節(jié)或光學(xué)管理可以實(shí)現(xiàn)良好審美觀感的彩色半透明太陽能電池［24，28，82］. Hou等［19］報(bào)道了不同活性層體系制備的顏色可調(diào)的STOSC，將IEICO-4Cl與J52， PBDB-T和 PCE10搭配分別獲得了紫色、藍(lán)色和藍(lán)綠色半透明太陽能電池器件，顯示了豐富的色彩. 光學(xué)工程可以改變器件的吸收光譜來制備彩色電池，已經(jīng)有研究報(bào)道使用Ag/ITO/Ag， Ag/TiO/Ag， Ag/WO3/Ag等光學(xué)微腔結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)顏色調(diào)節(jié)［83～85］. 最近， Chen等［86］報(bào)道了一種新的法布里-佩羅諧振腔電極（Fabry?Pe?rot）Ag/TeO2/Ag［圖10（B）］，在光學(xué)模擬的指導(dǎo)下，通過調(diào)節(jié)底部銀電極、間隔層TeO2以及頂部Ag電極三者的厚度，制備了藍(lán)色、綠色和紅色多種顏色的器件. 基于Ag/TeO2/Ag電極制備的藍(lán)色器件的PCE為14.04%，最大透過率（max）為31.0%；綠色電池的PCE為14.60%，max為21.8%；紅色電池的PCE為14.28%，max為25.2%. 這些是當(dāng)時(shí)性能最佳的彩色半透明太陽能電池器件.

3.2　近紅外隔熱

應(yīng)用于光電建筑一體化的STOSC還需要實(shí)現(xiàn)隔熱功能. Yip等［47］發(fā)現(xiàn)超薄銀電極的“熱鏡功能”可以反射780～900 nm波長范圍內(nèi)的近紅外光至活性層以增加光吸收，而其它波長下的紅外光（尤其是1500 nm以上的）則會(huì)被大量反射，從而實(shí)現(xiàn)阻隔紅外光的目的. 同時(shí)， Chen等［9］設(shè)計(jì)的蒸鍍單層TeO2光學(xué)修飾層的STOSC具有89%的IRR. 在模擬盛夏期間的戶外環(huán)境下， STOSC的表面溫度低于周圍環(huán)境溫度，表現(xiàn)出顯著的隔熱能力［圖10（C）］.

3.3　農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用

不僅如此，半透明太陽能電池還可應(yīng)用于農(nóng)業(yè)場景［39，88］. Li等［87］報(bào)道了一種綠色溶劑制備的環(huán)境友好的可用于溫室應(yīng)用的四元半透明太陽能電池器件. 所制備的PM6∶A-2ThCl∶A-4Cl∶PC71BM四元半透明器件綜合考慮了光伏效率、植物生長和綠色溶劑可加工性，器件的PCE為13.08%，植物生長因子G為24.7%. 如圖10（D）所示，在半透明器件透過光下和玻璃透過光下生長的豆芽在高度、分枝和葉子肥厚三方面相似，顯示了綠色制造的有機(jī)太陽能電池溫室在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的光明前景.

此外，研究人員在半透明的大面積模組制備［圖10（E）］、雙面入射、室內(nèi)光場景及不同角度光照?qǐng)鼍耙策M(jìn)行了大量研究，使半透明太陽能電池與商業(yè)化的距離逐漸縮短［80，89～93］.

4 總結(jié)與展望

本文綜合評(píng)述了高性能半透明太陽能電池的研究進(jìn)展和實(shí)現(xiàn)途徑，總結(jié)了解決有機(jī)半透明太陽能電池在平衡能量轉(zhuǎn)換和透過的方法. 目前，有機(jī)太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率突破19%， STOSC的LUE已經(jīng)突破5.0%，疊層光伏器件的LUE甚至達(dá)到了5.66%，但STOSC中的PCE和APT難以協(xié)調(diào)平衡的問題仍然存在，距離理論LUE～20%仍有較大差距. 未來，研究人員可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)一步提高STOSC的性能：

（1）設(shè)計(jì)合成新型窄帶隙或超寬帶隙的給體/受體材料. 這些新型材料應(yīng)該具有良好的光選擇性吸收能力，應(yīng)考慮其光譜響應(yīng)范圍與人眼明視覺函數(shù)曲線［圖1（A）］的匹配程度. 此外，還需要考慮材料的結(jié)晶性、電荷遷移特性等對(duì)STOPV性能的影響.

（2）開發(fā)新型透明電極. 傳統(tǒng)的ITO（錫摻雜氧化銦）電極雖然具有較高的導(dǎo)電性和透光性，但是其成本較高，易受到潮濕和氧化的影響，限制了其在大面積制備和長期穩(wěn)定性方面的應(yīng)用. 因此，開發(fā)新型的兼顧高導(dǎo)電率和高透光率的透明電極材料非常重要. 除了超薄金屬電極，金屬納米線具有可溶液加工和透光率高等優(yōu)點(diǎn)，制備成本比ITO透明電極更低.

未來， STOPV還需要解決兩個(gè)主要問題：大面積制備和器件長期穩(wěn)定性. 實(shí)驗(yàn)室有機(jī)太陽能電池采用旋涂工藝制備，但這種方法無法適用大面積器件. 因此，需要開發(fā)新的STOPV制備工藝，如刮涂、卷對(duì)卷、噴涂等技術(shù)，來實(shí)現(xiàn)大面積的高質(zhì)量制備. STOSC內(nèi)部受到光、熱、氧化等因素的影響，導(dǎo)致器件性能降低. 其中，吸光層、界面和封裝工藝是決定有機(jī)太陽能電池穩(wěn)定性能優(yōu)劣的關(guān)鍵，可以設(shè)計(jì)開發(fā)穩(wěn)定性良好的給受體材料，如非稠環(huán)受體，或革新器件封裝工藝等等.

半透明有機(jī)太陽能電池是一種充滿潛力的新型光伏技術(shù)，要實(shí)現(xiàn)其商業(yè)化應(yīng)用，仍需要進(jìn)一步研究和開發(fā)包括新材料、新型透明電極、界面調(diào)控來實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換與透過的平衡，以及解決大面積加工和長期穩(wěn)定性等問題. 隨著科技的不斷進(jìn)步和創(chuàng)新，相信半透明有機(jī)太陽能電池會(huì)得到更廣泛的 應(yīng)用.

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Approaches to Achieving High-performance Semitransparent Organic Solar Cells

LIYaokai， GUANShitao， ZUOLijian， CHENHongzheng*

（，，，310027，）

Semitransparent organic solar cells（STOSCs）， capable of generating electricity and transmitting light simultaneously， are a highly promising new energy technology with potential applications in building-integrated photovoltaics for windows and roofs， as well as in agricultural greenhouses and transportation vehicles. However， the balance between the power conversion efficiency（PCE） and average visible light transmittance（AVT） of STOSCs remains a challenge. Ideal high-performance STOSC requires a balance between increasing the AVT and PCE， which involves selectively absorbing and utilizing non-visible spectrum photons for energy conversion while transmitting visible spectrum photons to maintain aesthetic appeal and color purity. In this review， we discuss and summarize various approaches to achieving high-performance STOSC from the perspectives of active layer tuning strategy， device engineering and multifunctional STOSCs. Our findings provide valuable insights and recommendations to promote the research and development of this promising energy technology.

Semitransparent； Organic solar cell； Narrow bandgap material； Device engineering； Optical engineering

O631

A

10.7503/cjcu20230166

2023-04-01

網(wǎng)絡(luò)首發(fā)日期∶2023-06-19.

聯(lián)系人簡介: 陳紅征, 女, 博士, 教授, 主要從事有機(jī)/鈣鈦礦太陽電池材料與器件方面的研究. E-mail: hzchen@zju.edu.cn

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（批準(zhǔn)號(hào): 2019YFA0705902）資助.

Supported by the National Key Research and Development Program of China(No.2019YFA0705902).

（Ed.： N， K）