半透明有机太阳能电池研究进展

2023-10-10郑昊霖刘武岳朱晓张

高等学校化学学报 2023年9期

郑昊霖，刘武岳，朱晓张

半透明有机太阳能电池研究进展

郑昊霖1，2，刘武岳1，朱晓张1，2

（1. 中国科学院化学研究所北京分子科学国家实验室, 中国科学院有机固体重点实验室, 北京 100190； 2. 中国科学院大学化学科学学院, 北京 100049）

半透明有机光伏(ST-OPVs)相比其它无机光伏技术, 因为其活性层材料可调节的电子能级和选择性的吸收光谱, 在作为温室的发电屋顶、现代建筑外墙和采光玻璃等应用中具有本征优势. 随着高效窄带隙聚合物给体和近红外非富勒烯受体材料的快速发展, ST-OPVs的光利用效率在过去十年取得了显著进展, 本征和具有光学修饰的半透明器件的光利用效率分别超过了3%和5%. 为了进一步推动半透明有机光伏技术的实用化, 进一步提升器件的光利用效率仍是研究重点. 基于此，本文分别从半透明器件的理论模型、活性层材料设计和器件光学修饰等角度综合评述了近期ST-OPVs的重要进展, 为未来器件性能的优化提供了参考.

半透明有机光伏；活性层材料；器件光学修饰

为了解决我国重大能源问题，我国作为有担当的世界大国，国务院对于“双碳战略”工作提出的意见中明确指出，到2025年非化石能源消费比重超过20%；到2030年，非化石能源消费比重超过25%，风电、太阳能发电总装机量超过12亿千瓦以上；到2060年，非化石能源消费比重超过80%. 随着人们对“净零能源”概念认识的不断加强，改造自供电建筑或自供电电子设备正成为提供自身能源的一种趋势. 研究者们提出集成光伏这一概念并已经对此进行了应用［1］，如利用建筑集成光伏（BIPVs）将光伏材料置于屋顶或墙壁的设备［2～8］，通过收集光子能量为家庭或其它应用提供能源.

相比于无机光伏，半透明有机光伏（ST-OPVs）最大的优点在于有机材料结构性的吸收， ST-OPVs可以通过选择性的利用太阳光谱，同时实现高透光率和高光电转换效率. 虽然现在效率方面还有一定的差距，但目前已有报道的ST-OPVs在近红外区的非辐射能量损失低于单晶硅［9］，说明ST-OPVs仍然具有很大的潜力待我们挖掘. 近年来，随着不透明有机光伏材料在能量转换效率上取得的较大突破，基于非富勒烯受体最先进OPVs的PCE（光电转换效率）值已超过19%［10～18］，而不透明有机光伏的PCE往往可以用来初步预测ST-OPVs的性能，因此ST-OPVs同样具有巨大的发展潜力.

为了实现高的能量转换效率， ST-OPVs应在提供相当可观的光电转换效率的同时，保持良好的透过率和显色性能［19～23］. 提升半透明有机光伏材料效率通常有如下策略：活性层材料的设计、半透明顶电极和器件工程. 对活性层的优化包括：设计新型高效率给受体分子、优化给体与受体材料的比例、引入超窄带隙材料作为第三成分，调整活性层合适的形貌，以实现光子收集和电荷收集之间的权衡. 半透明顶电极应该在可见区域提供良好的透明度和高导电性. 最初，采用超薄金属电极作为顶部透明电极是一种简单的策略，但其透过率相对有限. 如通过继续减薄单层金属膜厚度的方法提升透过率，则往往会形成不连续的岛状膜，导致方阻急剧增加，无法实现透明电极的功能. 为了解决这一问题，研究者探索了多种透明电极制造方法来寻找替代方法，如超薄双层金属膜、透明导电氧化物、金属纳米线、透明导电聚合物、碳纳米管、石墨烯等. 而在器件工程方面，研究者们提出了光子晶体、防反射涂层、光学微腔和介电/金属/介电（DMD）结构等光学修饰的方法，以实现光谱选择性透射和反射，同时提高ST-OPVs的PCE和AVT（平均可见光透过率）. 表1［19，24～43］总结了代表性的ST-OPVs.

Table 1　Summary of representative ST-OPVs

本文首先介绍了ST-OPVs的器件结构和性能参数，然后介绍两种描述ST-OPVs的理论模型，再全面总结ST-OPVs活性层材料的发展；接下来简略列举了器件工程在ST-OPVs中的应用，简略介绍了 ST-OPVs在农业大棚、光伏窗户中的应用；最后是关于近年来热点工作的总结和对ST-OPVs未来的展望.

1 半透明有机光伏器件的器件结构和性能参数

1.1　半透明有机光伏器件的器件结构

半透明有机光伏器件与不透明光伏器件的结构相近，以正向器件为例（图1），主要的区别是顶电极需要同底电极一样为透明电极. 由于半透明器件透过可见光的要求，故需要利用光活性层的选择性吸收，使可见光透过器件，高效利用紫外光和近红外光. 顶电极目前最简便的制备方法即蒸镀小于 20 nm的银，可以在保证一定透过率下实现较低的方阻，但追求更高的透过率时，小于10 nm银的方阻急剧上升，严重影响器件的填充因子. 故新型的透明电极［如银纳米线、银栅格、无定形ITO（氧化铟锡）和石墨烯等］给ST-OPVs的制造和加工带来了更加广阔的创新空间和发展前景. 与此同时，由于 ST-OPVs相较于不透明光伏能更多的利用近红外光，用做底电极的高电导率ITO在近红外区较低的透过率也是性能难以取得突破的关键. 而对于活性层来说，则是在保证高效的同时，尽量减少在可见光区的吸收.

Fig.1　AM 1.5G solar spectrum(300—1200 nm)(A) and typical device structure(B)

1.2　半透明有机光伏器件的性能参数

半透明有机光伏的性能参数主要包括描述性能的PCE和描述可见光过透过率的人眼AVT，其中PCE与不透明器件的计算方法相同.

1.2.1PCEOSCs的PCE是评价半透明OSCs性能的重要参数之一. 其中SC是短路电流密度，OC是开路电压， FF是填充因子，in是入射光功率. 所有的太阳能电池的PCE测试都是在AM 1.5G的太阳光谱条件下完成.SC是在没有外加电压时的电流密度，电荷在内场的作用下会漂移. 其与激子的产生和分离密切相关. 其次，OC是太阳能电池在电流为零时传递的电压，其值与给体的最高占据分子轨道（HOMO）和受体的最低未占据分子轨道（LUMO）的能量差呈正相关. 另外，双分子复合和给受体之间的电子耦合能力也会影响oc.

1.2.2AVT（）是透射率，（）是人眼流明效率，（）是AM 1.5G下入射的光功率密度. 整个器件的（）是光子穿过每一层结构的透过率综合，其中活性层和电极的消光系数最大，对器件AVT的影响也最大.（）是一个以554 nm为中心对称的函数，其95%最大值的范围是400～600 nm左右，超过这个范围的消光系数对AVT的影响很小，故保证活性层在可见光区的弱吸收对于提高AVT来说至关重要.

1.2.3光利用效率（LUE）随着半透明电池的发展，为了对比不同AVT下的器件性能， Lunt等［44］提出光利用效率（LUE）这个参数，计算公式如下：

1.2.4颜色参数此外，作为光伏玻璃使用时还需要关注器件的光学参数，包括色坐标、色温（CCT）、和显色指数（CRI）等. 色坐标用来描述白光透过光伏器件后的颜色，通过色坐标可以在标准色度图（CIE 1931）上精确地标明一个点，该点代表着器件在人眼中成像显示的颜色. 色温是用来描述光透过光伏器件后的冷暖光情况，一般规定大于6500 K为冷光，小于6500 K为暖光. 显色指数则描述透过光伏器件后某种颜色与参照光源下颜色相符程度的度量，显色指数越高，越接近本来的颜色，范围是 0～100，通过计算8种标准颜色的偏差取平均值得出.

1.2.5红外阻隔率（IRR）太阳能主要是由紫外线、可见光和红外线3种电磁波组成，而红外线的热量占比高达53%. 而红外阻隔率即光伏器件阻隔红外线的比例与总红外线入射量的比值可定义为红外阻隔率（红外阻隔率=1－红外线透过率）. ST-OPVs受体材料由于其在近红外区域的特征吸收，具有很高的红外线阻隔率，因此具有良好的隔热性能.

2 半透明有机光伏器件的理论模型

2.1　Richard R. Lunt理论模型

半透明光伏器件有两个基本参数：（1）反映能量转换能力的PCE；（2）反映采光能力的AVT. 于是Lunt等［44］提出了一个综合评估半透明光伏器件性能的指标，即LUE. 2012年，在他提出的用来估计透明光伏器件肖特基昆西极限（S-Q极限）的外量子效率模型中，理论效率极限被确定为透明度的函数，以定义透明单结和多结光伏在一系列应用中的最大可实现目标. 可感知可见光的范围首先通过CRI分析来确定，然后利用具有辐射限制复合暗电流的肖克基理想二极管方程计算了热力学极限效率，确定可见透明太阳能电池的热力学效率极限.

在Richard R. Lunt提出的模型中， ST-OPVs可以同时利用紫外光和近红外光. 基于富勒烯（吸收紫外光）和窄带隙聚合物（吸收近红外光）作为活性层的半透明光伏器件，这一策略在非富勒烯受体蓬勃发展前，在当时被证明是实现高性能的理想途径. 但紫外光的利用限制了器件的长期工作［45］，紫外光的长期照射会导致器件的老化，进而使透光率下降，是光伏器件性能衰退的重要因素. 随着非富勒烯受体的快速发展，基于宽带隙聚合物和窄带隙非富勒烯不透明有机光伏器件的效率已经远远超过了基于富勒烯的器件，实现了高能量转换效率（超过19%）. 但这类材料组合在可见光区无法实现选择性吸收，不能充分发挥有机光伏的特点，导致有限的平均可见光透过率和较低的光利用效率.

2.2　朱晓张理论模型

2016年，朱晓张课题组［46］提出利用超窄带隙非富勒烯受体和窄带隙给体匹配形成近红外互补吸收的材料组合，为构筑高效半透明有机光伏提供了一种新策略. 这种策略有利于同时实现高能量转化效率和高平均可见光透过率，并显著提高隔热性能. 已经被证明在发展高性能ST-OPVs中是有效的，在没有额外光学修饰的情况下实现了3%以上的光利用效率.

2022年，朱晓张课题组［47］建立了理想的“给受体近红外区互补吸收”的EQE模型，基于精细平衡理论，探索基于具有近红外互补吸收活性层材料ST-OPVs的光利用效率极限. 在准平衡条件下，基态和激发态之间的吸收和发射过程处于动态平衡，辐射率可以由黑体辐射效率计算得出. 同时，根据热力学极限可以假设EQE（外量子效率）等于吸收效率. 由此建立如图2所示的EQE模型来描述一个 ST-OPVs. 从图中可以看出，一个理想的半透明有机光伏的器件由两部分组成：（1）活性层吸收左边切线（front）到活性层材料带隙（onset）之间的光子被全部吸收并全部转换成电流；（2）波长比活性层吸收峰左边切线短的光子被部分吸收，保持一个相对较高的透过率，这个相对比例定义为理想因子（）.front，onset和是描述特定的一组活性层材料的3个参数，以常见的基于非富勒烯的BHJ有机光伏来看，front和主要取决于给体材料，而onset则取决于非富勒烯受体材料. 因此将front定义在300～700 nm，onset定义在700～1300 nm.

Fig.2　Lunt’s theoretical model(A) and Zhu’s theoretical model(B)

原始的S-Q理论假设带隙之上（波长短于onset）的高能光子被完全吸收并转化为光电流，并且只关注带隙之上空穴和电子之间的辐射复合，在能量损失（loss）的分析中被称为Δ1. 在一定的偏压下，吸收的光子减去重组损失的光子就是光伏器件的电流密度，即为一定偏压下流过光伏器件的电流. 通过-曲线计算可以得到S-Q极限下的OC，SC， FF和PCE. 在该EQE模型中，onset以上的高能光子不会被完全吸收，从300 nm到front只吸收1－，而从front到onset可以完全吸收. 由于EQE的数值由front和决定，吸收的光子通量（photon）和零准费米能级（RR0）的辐射复合速率需要分为两项，并可以表示为

式中：（）是入射光的功率密度；是光速；是普朗克常数；是光伏器件的温度；b是玻尔兹曼常数. 因此，通过和原始S-Q理论类似的过程可计算出近红外EQE模型的-曲线. 至此，可以得到不同的front，onset和下的能量转换效率，计算结果如图3所示. 当理想因子等于0的情况下就是原始S-Q极限的结果，当onset在930 nm左右（g=1.34 eV）时，可以达到理论最高的能量转换效率（33.7%）.

Fig.3　Theoretical PCE and LUE predictions with different ideal factors

对于该模型中半透明光伏器件的光利用效率即可由以下方式计算得出：

式中：（）是透射率，它等于从300 nm到front的理想因子，另外由于front到onset完全吸收的假设，front之后的透过率为0.（）是人眼流明效率，如图4所示，它在550 nm处有一个峰值，在可见光范围之外可以忽略不计. 考虑到器件不可避免的寄生吸收和带隙以上有机材料不可避免的基底吸收，通常将定为0.6，以考察材料吸收对器件性能的影响. 图4中立方体图的上表面显示了在不同front和onset的情况下S-Q极限下半透明光伏器件的理论能量转化效率，下表面显示了相应的平均可见光透过率. 通过将理论能量转化效率和平均可见光透过率相乘，得到相应的光利用效率，如立方体图中的曲面所示.

Fig.4　AVT, PCE and LUE predictions with an ideal factor of 0.6

根据以上结果得出如下结论：半透明的有机光伏最优带隙远远小于常规不透明光伏最优带隙；半透明光伏器件的LUE由给受体共同决定，这印证了“给受体材料近红外区互补吸收”策略的科学性；材料设计对于提升半透明器件的性能至关重要. 基于此，研究团队通过醌式共振效应设计了一个超窄带隙非富勒烯受体ATT-9，基于其与窄带隙电子给体匹配的光伏器件的光谱响应达到1075 nm （1.15 eV），接近了半透明光伏的最优带隙. 受益于近红外吸收的增强，不透明器件获得了有机光伏中首次超过30 mA/cm2的短路电流密度和超过1000 nm的非富勒烯光伏中最高的光电转换效率（13.32%）. 随后研究团队还对器件进行优化，成功实现半透明器件在35%的平均可见光透过率下取得了9.37%的光电转换效率，实现了3.33%的LUE，这是基于非光学修饰半透明器件中的最高值.

3 半透明有机光伏器件活性层材料的设计

3.1　基于近红外给体与富勒烯受体的半透明光伏材料

研究者们发现只有发展在可见光区不吸收的材料才能同时实现高效率和高透过率. 人眼流明效率显著的范围只占太阳光谱的一小部分，如果可以高效利用剩余部分的光谱，就可以克服效率和透过率此消彼长的问题. 在ST-OPVs发展的前期，基于以上的理论研究和近红外聚合物电子给体材料在不透明光伏中性能的飞速发展，通过聚合物来吸收近红外光，富勒烯来吸收紫外光的半透明光伏占据了研究的主导［48～56］. 图5展示了相关的分子结构.

Fig.5　Molecular structures of NIR non⁃fullerene acceptor materials matching narrow band gap polymers

Yang等［48］利用窄带隙的聚合物电子给体PBDTT-DPP（吸收截至850 nm）和富勒烯受体进行匹配，顶部透明电极采用高度透明的银纳米线-金属氧化物复合导电膜，通过溶液处理制备的高性能、透明聚合物太阳能电池的光活性层对可见光并不太敏感，反而能从近红外区域收集太阳能. 通过这种组合，优化后的聚合物太阳能电池实现了4%的能量转换效率，且在550 nm处的最大透明度为66%. Jen等［49］设计合成稍宽带隙的聚合物PBDTTT-CT（吸收截至780 nm），通过器件工程调控超薄金属顶电极的厚度，在2%到36%的透过率（370～740 nm时的平均值）实现了7.56%到4.25%的PCE. 得益于在可见区较为平均的EQE响应，器件的CRI皆大于96，且透过率较高的器件CT也较为接近5500 K，得到了令人满意的显色效果. 该工作首次将光学模拟运用到半透明有机光伏中，通过测量每一层材料的复折射率代入转移矩阵，即可得出光场在多层器件中的分布，并能够计算出激子生成速率，这种模拟对于之后进行光场调控和优化各层厚度至关重要. 随后他们［50］采取氟代策略，将经典的窄带隙聚合物PCPDTBT用氟原子取代，合成了一个新的窄带隙聚合物PCPDTFBT（截止波长870 nm）. 由于氟原子的引入拉低了HOMO能级，也随之带来了更大的开路电压，在47%的平均透过率（380～700 nm）下实现了5.0%的PCE，这在当时是相近透过率下最高的性能. Yang等［51］在PBDTT-DPP的基础上，提出了一种在DPP单元聚合物上的硒取代物，即PBDTT-SeDPP. PBDTT-SeDPP的吸收光谱（带隙为1.38 eV）与PBDTT-DPP相比，红移了约50 nm. 通过PBDTT-FDPP-C12/PC61BM作为前电池， PBDTT-SeDPP/PC71BM作为后电池， TiO2/AgNW作为顶电极制备了半透明叠层器件. 由于前后电池都在可见区吸光较少，在43%的平均透过率（400～650 nm）下实现了高达6.4%的PCE.

随后，基于类似的材料体系，其它研究者还拓展了透明顶电极的研究. 如Matsuo等［52］以PTB7/PCBM为活性层， MoO掺杂的碳纳米管为顶电极，制备了厚Ag电极厚度一半的半透明器件，并实现了4.1%的PCE. Ma等［53］以PTB7-Th/PCBM体系为活性层，创新性地使用AgNW作为顶电极，与经典的MoO3/Al/MoO3顶电极（AVT=19.5%， PCE=5.77%）相比，在不影响PCE（5.01%）的情况下，使器件的透过率大幅提高至50.3%，证明了AgNW在半透明光伏中比超薄金属电极的优越性. Wong等［54］基于P3HT， PCDTBT， PBDTTT-CT和PTB7-Th与PCBM匹配，通过3个3.6 cm2的器件串联刮涂制备了大面积的半透明器件，得到了总面积为10.8 cm2的模组. 基于PTB7-Th/PCBM的模组的平均透过率可以达到10%， PCE可以达到5.8%，这为半透明光伏材料的大面积铺设提供了思路. Chen等［55］基于前人的工作优化了PTB7-Th/PCBM体系的顶电极，在半透明器件的顶端额外制备了Ag/ITO/Ag的光学谐振腔，通过控制ITO层的厚度，调制不同波长的透过率，并保证器件的性能不受影响，成功实现器件从蓝、绿、黄绿、黄、橘到红的颜色连续调制，在黄绿光的器件中实现了最大透过率（17.3%）下高达8.2%的效率，表明半透明器件可以通过对界面的修饰改变颜色，并进一步说明了建筑光伏在一体化应用中具有重要前景，也为后续研究者在多彩半透明器件中的发展提供了思路. Uddin等［56］以PffBT4T-2OD/PCBM为活性层材料，制备了有利于大面积加工厚膜的半透明器件，其活性层厚度可达到120～300 nm，并获得了6.60%的PCE， AVT为16.3%， CRI为90.7.

3.2　基于中宽带隙给体和近红外非富勒烯受体的半透明有机光伏

富勒烯及其衍生物作为受体，由于其高迁移率和强拉电子能力，一段时间内曾是有机光伏领域的明星分子［57，58］. 这得益于富勒烯衍生物合适的球形结构，与给体混合后可以达到10%以上的PCE. 然而，以富勒烯为受体材料在有机光伏的进一步发展却存在以下的限制：（1）吸收整体较弱，不利于光子采集；（2）通过化学修饰对分子能级调节有限；（3）由于容易聚集和二聚化导致光稳定性差，在加热或照明下形态和设备性能不稳定. 这些缺点限制了基于富勒烯衍生物为受体材料的改进［59，60］. 近年来，在可见-近红外区域吸收宽、吸收强、能级易于调节、吸收简单的非富勒烯受体（NFAs）成为了研究的热点. NFAs的优点包括：（1）容易调控光谱的吸收波段，使光电流显著提高；（2）容易用更简单的合成路线调控带隙，以提高OC；（3）更优的电荷解离特性，即在较小的驱动力下也可以完成电荷与空穴的分离，这在富勒烯体系中很难实现. 到目前为止， NFAs已经被证明［61］在实现高的PCE的同时能够同时实现高的AVT.

基于非富勒烯的受体材料虽然没有基于富勒烯衍生物的材料效率高，但非富勒烯受体由于容易修饰的特点展示了巨大的发展潜力. 近年来，邹应萍等［62～67］开发的具有A-DAD-A结构的明星受体Y6 一经发表即引起了广泛的关注. DAD型主核可以增强电子推拉效应，并能够提高电子在平面结构内的离域性. 缺电子BT分子被引入中心主核形成的DAD结构，通过稠和桥有利于电子离域进而更容易形成平面结构，这种结构致使光致发光量子产率明显高于传统的A-D-A设计，成功使非辐射复合得到了抑制. 然而，这类分子的高效率往往得益于较高的开路电压，具有很深的HOMO能级，当与窄带隙聚合物电子给体匹配时往往造成很大的能量损失，只有与中宽带隙的给体材料才能形成良好的匹配. 而问题是，当使用中带隙和宽带隙电子给体制备ST-OPVs时，中宽带隙电子给体在可见光范围内会有很强的吸收，不利于器件的可见光透过性. 因此，尽管这种半透明器件的光电转换效率比传统器件有明显提升，但其透光率一般不高，理论上在光利用效率上很难取得突破. 部分典型结构展示在图6中.

Fig.6　Molecular structures of wide⁃band gap donor and near⁃infrared non⁃fullerene acceptor materials used in semitransparent organic photovoltaics

Min等［24］通过氯取代策略设计了具有低HOMO能级的中宽带隙给体J101，与Y6设计成的器件获得了11.04%的PCE，但平均透过率只有21%. 随后， Zou等［25］将中间主核中的苯并噻二唑替换为苯并三氮唑以增加溶解度，将末端调整为INCN-1F以设计了受体分子Y14，与PBDB-T匹配后获得了12.6%的PCE，平均透光率（AVT=23%）也得到了提升，证明该策略的有效性. 与含硫杂环相比，含硒杂环一直以来也被证明能有效地减小带隙. 因此在Y6的基础上，研究者也考虑将含硒杂环引入Y6类似物中. 相比于Y6基于硒杂环的Y6Se薄膜带隙仅为1.32 eV. 随后他们［68］又通过氯代策略在相同的硒杂环的主核上引入氯取代的末端，设计的受体分子Y6-Se-4Cl具有1.31 eV的更窄的带隙，但这些化合物还没有被应用于半透明有机光伏.

此外，通过调控给受体比例也被认为是一种实现高LUE的策略. 该策略与窄带隙聚合物受体和近红外非富勒烯受体进行搭配的策略相似，即适当降低给体的比例减少可见光波段的吸收以实现良好的平均可见光透过率，而EQE则主要由吸收在近红外波段的受体决定. Zhang等［26］利用宽带隙聚合物D18-Cl为给体， Y6-1O作为受体， Y6作为第三组分来制备ST-OPVs. 基于D18-Cl∶Y6-1O的二元不透明器件可以实现14.92%的PCE. 通过调控给受体比例（质量比从1.1∶1.6降低到0.7∶1.6），混合膜的平均可见光透射率AVT从30.3％显着提高到47.3％. 保持给受体比例恒定（质量比0.7∶1.6），相应的三元ST-OPVs的AVT也提高到50.1％. 以Au（1 nm）/Ag（10 nm）为电极的ST-OPVs获得了13.02％的PCE， 20.2％的AVT和2.63％的光利用效率. Chen等［19］等采用分子量调节的高效顺序沉积（SD）策略提高ST-OPVs的性能，通过合成了一系列不同分子量聚合物给体PCE10-2F微调聚合物的结晶度，不仅有利于形成致密和坚固的薄膜，而且还可以合理地调控给体/受体的相容性以增强界面接触. 相应的ST-OPVs实现了10.01%～11.11%的PCE和39.93%～50.05%的高AVT. 在没有光学修饰的情况下， ST-OPVs实现了5.01%光利用效率（LUE），成功实现了PCE和AVT平衡.

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此外，基于Y6设计的多功能ST-OPVs也在研究之中，除了上述的隔热功能外，彩色半透明光伏是另一个重要的研究方向，不同颜色的光伏玻璃有利于美观，同时实现功能和装饰性. 如， Li等［69］通过基于Ag/TeO2/Ag材料的光学谐振器制造了彩色半透明光伏装置，蓝色器件的PCE和AVT分别为14.04%和31.0%，绿色器件的PCE和AVT分别为14.60%和21.8%，红色器件的PCE和AVT分别为14.28%和25.2%.

3.3　基于窄带隙聚合物和近红外非富勒烯受体的半透明有机光伏

2016年，朱晓张课题组［46］首先提出非富勒烯受体容易调控光谱的吸收波段，尝试将其运用到半透明有机光伏器件中. 2017年，他们［46］首次提出将近红外受体与窄带隙聚合物匹配制备半透明有机光伏器件. 基于此前设计具有强醌式效应的非富勒烯受体ATT-1，引入更强拉电子能力的末端INCN，设计出非富勒烯受体ATT-2. 在强的分子内电荷转移性质（ICT）和醌式共振效应的共同作用下，实现了在近红外区的强吸收（吸收末端超过950 nm），成功与窄带隙聚合物给体PTB7-Th匹配，在AVT=45%下实现了6.3%的PCE. 此后他们对顶电极进行了厚度的调控， Ag电极的厚度从20 nm减小到10 nm可以成功实现AVT=37%， PCE=7.7%. 除此之外，由于合理的光谱调控，该器件还具有良好的显色指数（CRI=94.1）. 在此之后，这种窄带隙聚合物给体材料搭配近红外非富勒烯受体的策略，占据了有机半透明光伏的研究主导，各类高性能体系被相继报道，部分典型结构展示在图7中. 2022年，朱晓张课题组［47］设计并合成了一种新型的非富勒烯受体ATT-9，具有对于半透明有机光伏理论预测下的的最优带隙. 基于其与PTB7-Th的不透明器件实现了的30 mA/cm2的短路电流密度和13.40%的光电转换效率，为报道时带隙低于1.2 eV有机光伏器件的最高值. 得益于最优的光学带隙和低的能量损失，基于ATT-9的半透明有机光伏器件在没有修饰的情况下实现了3.33%的光利用效率. Zhan等［70］设计了一个非富勒烯受体IHIC，其带隙为1.38 eV，该结构以一个六环稠合的主核，同时引入强拉电子的INCN. 基于PTB7-Th和IHIC为活性层的共混膜显示出强的近红外吸收和弱的可见光吸收（300～600 nm），并获得了高达1.6×105L·mol‒1·cm‒1的消光系数. 该结构的优点还体现在IHIC分子内部的刚性、平面核心结构和S-S相互作用抑制了旋转弛豫，减少了重组能，因此得到了高达2.4×10‒3cm2·V‒1·s‒1的电子迁移率. 与此同时， Hou等［71］为获得吸收波段更加红移的材料，将富电子的桥插入IDT主核和INCN末端中间，噻吩位的烷氧取代的给电子能力与INCN形成强的ICT效应，将光谱大幅拓展到接近1000 nm. 同时，由于合理的能级调控策略，基于PTB7-Th∶IEICO-4Cl的器件实现了0.5 eV的低能量损失，基于该体系的半透明器件实现了高的平均透过率（25.7%），并且保持了相当可观的光电转换效率（8.4%）. Forrest等［27］开发的非富勒烯受体BT-IC，通过末端工程的改造，强拉电子基团INCN-2Cl的引入，成功将光谱拓展到超过900 nm. 将该受体材料与给体分子PTB7-Th制成的半透明器件在26%的平均透过率下实现了8.2%的PCE. 此后， Zhan等［28］在此前的基础上为了增强分子的ICT效应，设计了一个非富勒烯受体IUIC，该受体具有更强的给电子能力、更大的共轭（11环稠合）单元和更强拉电子能力（INCN-2F）末端基团. 与七环稠合主核的ITIC4相比有更大的共轭体系，得到了符合理论预期的红移吸收（带隙为1.41 eV）和较大的消光系数3.2×105m‒1·cm‒1. 基于PTB7-Th∶IUIC的半透明器件在31%的平均透过率下实现了10%的PCE，而基于PTB7-Th∶ITIC4的器件仅达到6.42%的PCE，平均透过率也仅为28%. 此外， Zhan等［29］还设计了一个全新主核3TT，同样引入与之匹配的拉电子末端INCN-1F，在抬高受体分子FOIC的HOMO能级的同时， LUMO能级并没有显著影响，使带隙达到了1.32 eV，这使得光谱的大幅红移超过100 nm.

基于该受体分子与PTB7-Th的器件在37.4%的平均透过率（370～740 nm）下实现了10%的PCE. Li等［30］为了实现光谱的红移，在IDTT主核与INCN-1F末端的中间引入一个烯键，设计了一个非富勒烯受体ITVflC，相比没有烯键的ITIC-2F实现了约80 nm的红移. 基于其与PTB7-Th的器件在26.4%的平均透过率（370～740 nm）下实现了8.2%的PCE. 此外，该器件还具有良好的热稳定性，即使200 ℃下工作2 h，依然保持初始光电转换效率的91%. Forrest等［31］开发的受体A078，与给体分子PTB7-Th进行匹配，通过对器件的调控，利用多层的减反层和出光耦合层调制半透明器件对光谱的利用，成功抑制了活性层在可见光区的吸收. 具有光学修饰层的器件取得了45.7%的AVT下10.8%的PCE，对比没有光学修饰层器件（AVT=25%， PCE=11%），在效率方面有了很大提升，说明光学修饰层也是提升半透明性能中不可忽视的重要因素. Chen等［32］也提出通过光谱选择性设计半透明有机光伏活性层的概念，他们通过该策略设计的非富勒烯受体H3与PTB7-Th匹配后，能够在近红外区取得强的吸收响应，并且在可见光区吸收较弱，能够实现光谱的互补. 通过TeO2作为光学修饰层，实现了50%透过率下8.38%的PCE.

4 器件工程

近年来，在器件工程方面提出了多种策略同时改善PCE和AVT. 对ST-OPVs器件上的优化，有益于加快建筑集成光伏的构建. 这些通过光学修饰的方法可以提高半透明器件的光子的吸收和可见光透过率，进而提高器件的LUE. 同时，观感美观舒适的多彩ST-OPVs同样也是实现建筑集成光伏的关键. 因此，通过调控ST-OPVs的颜色，制备成具有视觉美感的彩色器件也是器件工程中重要的部分. 下面从提高透过率和调控器件颜色两方面总结器件工程方面的工作.

4.1　光学修饰提高器件透过率

传统的有机太阳电池由于其结构的特殊性，其自身的透光率和颜色无法进行调节. 因此，如何制作出具有高显色性、高自然光指数的半透明光伏器件仍然是一个巨大的挑战. 而引入光子晶体则可以使入射器件的光在不同波长下选择性的透射或反射，与活性层的吸收光谱更加匹配，从而提升其吸光率，并调控其显色性能，达到颜色显示的目的. 此外，引入光子晶体还可以调节器件的光学特性，使其更加有效地利用太阳能资源.

4.1.1周期性光子晶体目前，科研人员主要将一维光子晶体（1DPCs）应用于半透明有机光伏器件中， 1DPCs光子禁带设计与器件活性层的吸收光谱相匹配. 当入射光到达1DPCs时，由于光子禁带的存在，位于该部分波长的光在1DPCs内无法穿透，而是被全反射回活性层中被重新吸收，有效地提高了器件的PCE. 同时应用不同禁带波长及禁带宽度的光子晶体可以调控器件的透射光谱，增强了器件的透射颜色的多样性与显色性. 部分器件结构展示在图8中.

2012年， Shen等［33］报道了以P3HT∶PC61BM为活性层，由WO3/LiF组成的一维光子晶体. 通过引入一维光子晶体，该半透明有机光伏器件的PCE=2.58%，相比于不使用一维光子晶体设计而成的器件（PCE=2.04%）， PCE提高了26%. 在400～600 nm的光谱范围内，平均透光率几乎为零，说明一维光子晶体结构可以充分反射光子. Cao等［34］报道了以PTB7∶PC71BM为活性层，由SiO2/TiO2组成的一维光子晶体. SiO2和TiO2呈现明显的周期性分层结构. 采用此结构的器件的PCE=5.20%，最大sc可达12.25 mA/cm2，为当时同类器件的最高值. 1DPCs使器件效率提高的主要原因是器件产生了光学谐振腔，通过光学谐振效应显著增强了活性层的光吸收能力.

Fig.8　Structures of 1DPCs, device A, device A/1DPCs(A)[33], schematic of the device structure of the ST⁃PSC(B)[34], growth diagram of the pristine S⁃Ag layer(up) and Au/Ag hybrid layer(down) on MoOx(C)[35]

1DPCs也可以通过调节器件的透射光谱来制备可调节颜色的彩色半透明有机光伏器件. Li等［35］开发了一种周期性（MoO/LiF）作为1DPCs，高导电率的金/银混合薄膜作为透明顶电极. 将3种经典的聚合物给体材料、宽带隙聚合物（P3HT）和两种不同能级的窄带隙聚合物（PTB7和PTB7-Th）用作器件的测试载体. 结果显示，其可以显著改进或调整半透明聚合物太阳能电池的性能、重复性和颜色. 基于Au/Ag混合薄膜作为透明顶电极的半透明聚合物太阳能电池的PCE为5.5%，比对照组高出17%和7.3%. 3种没有1DPCs的半透明聚合物太阳能电池都表现出绿灰色，因为它们超薄的Au/Ag顶部电极产生了相似的反射光谱. 而根据各自活性层的最大吸收峰所设计的1DPCs可以实现透射光谱的调节，从而产生不同颜色.

4.1.2非周期性光子晶体2007年， Martorell等［36］提出了一种特殊的光子晶体结构，使光电转换效率达到不透明器件的80%. 基于PTB7∶PC71BM的半透明光伏器件，具有30%的AVT和5.6%的PCE. 非周期光子晶体用于捕获近红外和近紫外光子. 通过调控活性层结构，可以在不显著改变器件性能的情况下调节器件颜色.

2022年， Li等［37］通过热蒸发法设计并制备了一种非周期LiF/［TeO2］8/LiF的非周期带通滤波器（ABPF）. 在65 nm厚度ABPF集成的TOPVs的AVT高达78.69%，显色指数为97.54，在近红外区（700～900 nm）全反射. 集成后的TOPVs的LUE达到了5.35%. 通过详细的-曲线、 EQE曲线、 ABPF和AEC集成TOPVs的透射光谱和彩色坐标对比，发现随着活性层厚度的减小，集成ABPF的TOPVs在可见光区透射率显著增加，而在700～900 nm范围内保持不变. 此外，封装的基于ABPF的TOPVs表现出相当好的操作稳定性，可视性和色彩更加清晰鲜明，显示出了在建筑光伏集成应用等方面的巨大潜力.

4.2　调控器件颜色制备彩色器件

4.2.1介质/金属/介质（DMD）结构在使用DMD多层膜作为顶电极的情况下，可以通过改变每层电介质的折射率和厚度来调整透光率和反射率. 入射光和反射光的相位差决定了干涉增强和减弱效应的装置，乘积（为折射率，为厚度）决定了介电层对特定入射波长的光的调控行为. 如果其分别是四分之一波长的奇数或偶数倍，则该波长的入射光将被增透或增反. 因此， DMD电极的选择性增透或增反特性提供了一种通过将透过和反射波长与光活性层的吸收光谱相匹配来提高器件性能的策略. 部分典型结构示于图9.

Fig.9　Transmittance spectra of the transparent ITO/nc⁃TiO2 cathode(the inset: the device structure of semitransparent inverted PSCs)(A)[38] and the structure of ST⁃OPVs(B)[39]

Chen等［38］报道了一种结构为ITO/nc-TiO2/P3HT∶PC61BM/MoO3/Ag/MoO3的倒置半透明有机光伏器件，其中nc-TiO2薄膜作为电子传输层. 采用超薄内层MoO3作为中间层提高空穴传输效率. 而外层MoO3作为光耦合层，提高了器件的透光率. 当从ITO侧面照射时，没有外层MoO3的器件的PCE为1.06%. 加入外层MoO3后，相应器件的PCE提高到1.40%. 外层MoO3层器件PCE的提升是由于串联电阻的下降，从而使填充因子从42.9%提高到61.9%. 近年来，随着有机材料的发展，具有DMD结构的半透明有机光伏表现出了更高的性能. Sun等［39］以PBT1-C-2Cl∶Y6为活性层材料，构筑了ITO/ZnO/PBT1-C-2Cl∶Y6/MoO3/Au结构的半透明有机光伏器件. 该器件的PCE为9.1%， AVT为40.1%. 在透明顶电极表面添加MoO3层后，相应的半透明有机光伏器件的AVT提高到44.2%，但PCE降低到8.24%. Kim等［40］报道了一种基于两层Sb2O3和银薄膜作为顶电极的DMD多层结构. 在电子传输层和Ag膜之间沉积了一层超薄Sb2O3层，作为Sb2O3/Ag/Sb2O3电极的底层. 该层抑制Ag原子的扩散和聚集，从而形成均匀的超薄Ag薄膜. 中间金属层的厚度影响填充因子和短路电流密度，而填充因子和短路电流密度与器件电阻和光反射密切相关. 对于顶部的Sb2O3层，其厚度允许特定波长的可见光进行选择性透过，同时反射未能被器件吸收的光，从而产生二向色效应. 利用活性层材料、 Sb2O3/Ag/Sb2O3与电极制作得到多种色彩的器件，这些器件的PCE为6.33%～7.88%，平均可见光透过率为23%～30%.

4.2.2光学微腔结构除了光子晶体和DMD结构外，光学微腔结构也常被用于构筑高性能的半透明有机光伏器件. 光学微腔的结构由两层超薄金属薄膜组成，在可见光范围内具有透明性，在NIR范围内具有显著的反射性. 由于光学相干干涉，光学微腔可以有效地限制两个反射层之间的共振频率，有利于保持有效的激子解离和载流子提取. 部分典型结构示于图10.

Fig.10　Device architecture of microcavity⁃embedded colour⁃tuneable transparent OSCs(A)[41], schematic of hybrid⁃electrode⁃mirror microcavity⁃based ST⁃OPVs devices with PTB7⁃Th∶PC71BM as the active layer(B)[42], and structure of organic solar cell with ITO/Hf(ACB1)4 /active layer/MoO3/Ag(C)[43]

Lin等[41]引入了一种微腔嵌入结构的概念，这种结构使用一个夹在银薄膜之间的透明有机层作为器件的阴极，其中器件的颜色可以通过透明有机层的厚度连续调节. 这种金属/有机/金属（MOM）微腔阴极可以通过真空热蒸发沉积，因此完全兼容有机活性层和玻璃或柔性塑料衬底. 通过适当的结构设计，微腔阴极将大部分入射光反射回活性层，增强了材料中的光场分布（高光电流），同时允许特定光谱范围的光通过器件（透明性）. 由于光载流子由微腔底层的薄金属层收集，而透明有机层仅作为波长调制的光学间隔层，因此器件的OC和FF等电学特性与嵌入的MOM无关. 这种特性可以在单个器件中实现多种颜色的外观. 在不同厚度的电极中，以Ag（40 nm）/NPB（75 nm）/Ag（40 nm）为电极的半透明有机光伏器件的PCE最高，为5.15%，在459 nm处的最大透光率约为25%. Long等［42］提出了一种新型微腔结构，采用Au/Ag杂化电极作为反射镜， WO3作为间隔层，实现了高PCE和高峰值透过率的彩色半透明有机光伏. 首先，与使用Ag电极的参考器件相比，混合Au/Ag电极的PCE和峰透过率分别提高了7.7%和5.5%. 优化后器件的PCE达到9%以上，峰值透过率达到25%以上. 其次，证明了微腔的二阶共振可以通过缩小透射峰来提高绿色ST-OSCs的颜色纯度，二阶和三阶共振的组合可以构建彩色混合颜色的ST-OSCs. 最近， Tan等［43］引入Ag/MoO3/Ag微腔结构，对PM6∶Y6活性材料的吸收光谱进行微调. Ag/MoO3/Ag微腔为器件赋予了自由可调的颜色，同时也起到了空穴收集层的作用. 在光学模拟的指导下，合理设计的Ag/MoO3/Ag微腔和Hf（ACB1）4电子收集层的器件都显示出良好且视觉舒适的颜色（紫色、天蓝、青色、绿色和品红），显示出独立于PM6∶Y6材料的固有颜色. 青色器件的PCE接近12%， AVT为23.69%， CRI为92.5. 该工作为同时改进AVT和CRI以实现高效的ST-OPVs，并将其应用于集成建筑的光伏玻璃中提供了一种可行的方法.

5 半透明有机光伏的应用

5.1　农业大棚

为了适应农业应用的需求，与只需要在可见光波长范围内具有高透明度的ST-OPVs不同，用于温室屋顶等农业应用OPVs应在植物光合作用的吸收波段处于高的透明度. 叶绿素A和叶绿素B是农业植物叶绿素中最常见的两种色素，这两种色素的吸收范围约为360～500 nm，在选择活性层的材料时，应该在这个蓝/紫光的范围内实现高透明度，而不是在整个可见波长范围内.

考虑到上述因素， Ge等［72］基于PBDB-T-2F∶Y6的柔性半透明光伏器件通过改良PEDOT∶PSS空穴传输层，在21%的AVT下实现了超过10.5%的PCE，同时将这些器件在模拟的温室环境中进行了测试. 在黑暗中生长的植物由于光合作用能力差，叶绿素效率很低. 相反，在柔性的半透明光伏装置下，植物表现出与阳光下相当的叶片硬度，表明半透明有机光伏装置充足的透射光对温室环境中植物快速生长具有很好的促进作用. 同样， Li等［73］使用PBDB-T-2F， A-2ThCl， A-4Cl和PC71BM 4种材料的共混物开发了一种基于光谱工程的高性能ST-OPVs. 将4种活性层材料制备成一种适合植物吸收的光伏窗户，使用非卤化溶剂处理能得到非常优异的光伏性能. 通过制备的ST-OPVs获得13.08%的PCE. 在该器件的滤光下，植株的生长良好，植株生长因子为24.7%，与透明玻璃下相当.

最近， Yang等［3］通过在ITO和光活性层中引入中间层-还原型谷胱甘肽，谷胱甘肽中半胱氨酸、甘氨酸能分别与氧化锌中氧空隙、锌缺陷结合，抑制了超氧自由基对ST-OPVs器件的氧化作用，使其具有优良的稳定性（1008 h仍保持84%的PCE）. 基于ITO/ZnO/PM6∶Y6/MoO3/Au/Ag的器件实现了13.5%的PCE和21.5%的AVT，优于无-还原型谷胱甘肽作为中间层的器件（PCE=11.6%， AVT=21.2%），且-还原型谷胱甘肽作为中间层并不影响可见光透过率. 由于-还原型谷胱甘肽的引入抑制了载流子的复合，短路电流得以提升. 将ST-OPVs引入农业大棚中，温室结果表明， ST-OPVs屋顶有利于作物的成活率和生长. 这得益于半透明的屋顶具有紫外吸收的特性，而紫外线暴露会破坏芽的生物活性.

5.2　多功能发电窗户

由于ST-OPVs具有颜色可调、轻量化和半透明的特点，为室内多功能窗户的使用提供了可能，该窗户在实现发电的同时， ST-OPVs的光谱选择性吸收紫光和近红外光，窗户同时还具有采光、装饰和隔热等多种功能.

2020年， Zhan等［74］将ST-OPVs的Ag电极上叠加WO3/Pt的气致变色背反射器，可以实现背反射器在H2/O2照射下的动态颜色切换，从而实现电极反射率的智能变化. 在高反射率状态下， ST-OPVs 的PCE为10.23%， AVT为25.4%；低反射率状态下， ST-OPVs的PCE较低，为9.13%，但AVT较高，为33.8%. 该设计可作为具有燃气控制开关和发电功能的智能窗户，如氢燃料电池汽车的天窗挡风玻璃.

5.3　水面漂浮光伏

水面漂浮光伏是一个在人口密度大地区解决土地使用竞争的好办法，与传统的大面积地面光伏相比有良好的应用前景. 水面漂浮光伏具备诸多优势，包括通过选择性透过阳光防止藻类大量繁殖，通过水的冷却作用提高器件的PCE，通过阻挡阳光降低水温. 相较于无机光伏， ST-OPVs更适合水面漂浮光伏，因为其允许必要的光线通过水生动植物生存.

2020年， Xu等［75］将ST-OPVs应用到水面漂浮光伏，并探索其调节水生环境和生物的潜力. 通过制备3组高性能ST-OPVs，最高效率为13%，平均可见光透射率超过20%，在性能最佳的ST-OPVs中实现了发电和透明度之间的最佳权衡. 通过将大面积ST-OPVs放置在水体上，有效减少了水分蒸发并抑制了藻类的生长.

6 总结与展望

本综述全面总结了半透明有机光伏的研究进展，并对各种性能改进的策略提供了详细的总结评述. 设计并提出合理的半透明有机光伏理论模型，为指导新材料的设计提供有利策略；两种不同带隙宽度的受体通过搭配相应的给体，都能实现高的光利用效率以及通过相应策略制备功能器件；器件的光学修饰能够提高半透明器件的光子的吸收和可见光透过率，同时也能制备彩色器件以实现建筑光伏一体化. 这均使半透明有机光伏成为极具前景、可持续发展的能量转换技术.

半透明有机光伏的PCE和AVT之间的良好平衡仍然是一个巨大的挑战，为了实现建筑光伏的一体化，光利用效率以及色彩多样性仍需要进行改善，这在活性层材料设计、活性层形貌、半透明顶电极和器件工程等方面都需要付出大量的努力. 通过“给受体近红外区互补吸收”的EQE模型设计合适的活性层新材料，可以优化近红外范围内的光子捕获和可见光范围内的透射率；优化给体与受体材料的重量比、采用超窄带隙材料作为第三成分、调整活性层厚度可以优化活性层形貌实现光子收集和电荷收集之间的权衡；筛选合适的顶电极结构可以提高可见光范围内的电导率和透光率和近红外或紫外光范围内的反射率；开发光子晶体、光学微腔和介质/金属/介质结构等器件工程策略可以实现选择性透射和反射，同时改进半透明有机光伏器件的光利用效率并调控器件的颜色.

为了实现半透明有机光伏的商业化和建筑集成光伏的一体化，高性能的大面积设备/模组是非常重要的，而合适的透明电极和图案化技术是获得高性能的大面积设备/模组的关键. 可印刷的透明电极（如银纳米线）结合模块图案化技术可以降低接触电阻，从而提高PCE. 高稳定性也是半透明有机光伏实现实际应用的先决条件. 为了提高器件的稳定性，需在分子设计、形貌和界面调控等方面发展新策略. 以上策略可为半透明有机光伏的发展提供理论指导，随着技术的不断进步，半透明有机光伏将发挥出更大的应用前景，并为可再生能源的未来提供更多的可能性.

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［26］ Hu Z.， Wang J.， Ma X.， Gao J.， Xu C..， Wang X.， Zhang X.， Wang Z.， Zhang F.，，2021，， 6797

［27］ Li Y.， Lin J. D.， Ch， X.， Qu，Y.， Liu F.， Liao L. S.， Forrest S. R.，，2017，（47）， 17114—17119

［28］ Jia B.， Dai S.， Ke Z.， Yan C.， Ma W.， Zhan X.，2018，（1）， 239—245

［29］ Li T.， Dai S.， Ke Z.， Yang L.， Wang J.， Yan C.， Ma W.， Zhan X.，2018，（10）， 1705969

［30］ Huang H.， Li X.， Zhong L.， Qiu B.， Yang Y.， Zhang Z. G.， Zhang Z.， Li Y.，，2018，（11）， 4670—4677

［31］ Li Y.， Guo X.， Peng Z.， Qu B.， Yan H.， Ade H.， Zhang M.， Forrest S. R.，，2020，（35）， 21147—21154

［32］ Li Y.， He C.， Zuo L.， Zhao F.， Zhan L.， Li X.， Xia R.， Yip H.， Li C.， Liu X.， Chen H.，2021，（11）， 2003408

［33］ Yu W.， Shen L.， Long Y.， Guo W.， Meng F.， Ruan S.， Jia X.， Ma H.， Chen W.，， 2012，（15）， 153307

［34］ Zhang Y.， Peng Z.， Cai C.， Liu Z.， Lin Y.， Zheng W.， Yang J.， Hou L.， Cao Y.，，2016，（30）， 11821—11828

［35］ Xu G.， Shen L.， Cui C.， Wen S.， Xue R.， Chen W.， Chen H.， Zhang J.， Li H.， Li Y.， Li Y.，2017，（15）， 1605908

［36］ Betancur R.， Romero⁃Gomez P.， Martinez⁃Otero A.， Elias X.， Maymó M.， Martorell J.，，2013，（12）， 995—1000

［37］ Liu X.， Zhong Z.， Zhu R.， Yu J.， Li G.，，2022，（8）， 1918—1930

［38］ Tao C.， Xie G.， Liu C.， Zhang X.， Dong W.， Meng F.， Kong X.， Shen L.， Ruan S.， Chen W.，，2009，， 053303

［39］ Xie Y.， Cai Y.， Zhu L.， Xia R.， Ye L.， Feng X.， Yip H.， Liu F.， Lu G.， Tan S.， Sun Y.，2020，（28）， 2002181

［40］ Song S.， Cho H. W.， Jeong J.， Yoon Y. J.， Park S. Y.， Song S.， Woo B. H.， Jun Y. C.， Walker B.， Kim J. Y.，，2020，（9）， 2000201

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［43］ Bai Y.， Han F.， Shi R.， Wang F.， Jiang S.， Wang J.， Tan Z.，，2022，（8）， 2200174

［44］ Lunt R. R.，，2012，（4）， 043902

［45］ Liu T.， Burlingame Q. C.， Ivancevic M. R.， Liu X.， Hu J.， Rand B. P.， Loo Y. L.，. 2023，， 2300046

［46］ Liu F.， Zhou Z.， Zhang C.， Zhang J.， Hu Q.， Vergote T.， Liu F.， Russell T. P.， Zhu X.，.，2017，（21）， 1606574

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［48］ Dou L.， You J.， Yang J.， Chen C. C.， He Y.， Murase S.， Moriarty T.， Emery K.， Li G.， Yang Y.，，2012，（3）， 180—185

［49］ Chen K. S.， Salinas J. F.， Yip H. L.， Huo L.， Hou J.， Jen A. K. Y.，，2012，（11）， 9551—9557

［50］ Zhang Y.， Zou J.， Cheuh C. C.， Yip H. L.， Jen A. K. Y.，，2012，（13）， 5427—5435

［51］ Dou L.， Chang W. H.， Gao J.， Chen C. C.， You J.， Yang Y.，2013，（6）， 825—831

［52］ Jeon I.， Delacou C.， Kaskela A.， Kauppinen E. I.， Maruyama S.， Matsuo Y.，，2016，（1）， 31348

［53］ Ji G.， Wang Y.， Luo Q.， Han K.， Xie M.， Zhang L.， Wu N.， Lin J.， Xiao S.， Li Y. Q.， Luo L. Q.， Ma C. Q.，，2018，（1）， 943—954

［54］ Wong Y. Q.， Meng H. F.， Wong H. Y.， Tan C. S.， Wu C. Y.， Tsai P. T.， Chang C. Y.， Horng S. F.， Zan H. W.，，2017，， 196—206

［55］ Lu J. H.， Lin Y. H.， Jiang B. H.， Yeh C. H.， Kao J. C.， Chen C. P.，2018，（7）， 1703398

［56］ Duan L.， Yi H.， Wang Z.， Zhang Y.， Haque F.， Sang B.， Deng R.， Uddin A.，，2019，（9）， 2456—2463

［57］ Song J.， Li C.， Ye L.， Koh C.， Cai Y.， Wei D.， Woo H. Y.， Sun Y.，， 2018，（39）， 18847—18852

［58］ Liu J.， Wang Y.， Jiang P.， Tu G.，，2020，（3）， 1336—1345

［59］ Xiao Z.， Jia X.， Ding L.，，2017，（23）， 1562—1564

［60］ Zhang M.， Zhu L.， Hao T.， Zhou G.， Qiu C.， Zhao Z.， Hartmann N.， Xiao B.， Zou Y.， Feng W.， Zhu H.， Zhang M.， Zhang Y.， Li Y.， Russell T. P.， Liu F.，2021，（18）， 2007177

［61］ Dai S.， Zhan X.，2018，（21）， 1800002

［62］ Xu X.， Li K.，，2021，（2）， 165—178

［63］ Wei Q.， Liu W.， Leclerc M.， Yuan J.， Chen H.， Zou Y.，.，2020，（10）， 1352—1366

［64］ Zhang G.， Chen X. K.， Xiao J.， Chow P. C. Y.， Ren M.， Kupgan G.， Jiao X.， Chan C. C. S.， Du X.， Xia R.， Chen Z.， Yuan J.， Zhang Y.， Zhang S.， Liu Y.， Zou Y.， Yan H.， Wong K. S.， Coropceanu，V.， Li N.， Brabec C. J.， Bredas J. L.， Yip H. L.， Cao Y.，，2020，（1）， 3943

［65］ Yuan J.， Zhang Y.， Zhou L.， Zhang G.， Yip H. L.， Lau T. K.， Lu X.， Zhu C.， Peng H.， Johnson P. A.， Leclerc M.， CaoY.， Ulanski J.， Li Y.， Zou Y.，，2019，（4）， 1140—1151

［66］ Guo Q.， Guo Q.， Geng Y.， Tang A.， Zhang M.， Du M.， Sun X.， Zhou E.，，2021，8， 3257—3280

［67］ Yuan J.， Zou Y.，， 2022，， 106436

［68］ Cheng H. W.， Mohapatra A.， Chang Y. M.， Liao C. Y.， Hsiao Y. T.， Chen C. H.， Lin Y. C.， Huang S. Y.， Chang B.， Yang Y.， Chu C. W.， Wei K. H.，， 2021，（23）， 27227—27236

［69］ Li X.， Xia R.， Yan K.， Ren J.， Yip H. L.， Li C. Z.， Chen H.，，2020，（10）， 3115—3123

［70］ Wang W.， Yan C.， Lau T.， Wang J.， Liu K.， Fan Y.， Lu X.， Zhan X.，2017，（31）， 1701308

［71］ Cui Y.， Yang C.， Yao H.， Zhu J.， Wang Y.， Jia G.， Gao F.， Hou J.，2017，（43）， 1703080

［72］ Song W.， Fanady B.， Peng R.， Hong L.， Wu L.， Zhang W.， Yan T.， Wu T.， Chen S.， Ge Z.，2020，（15）， 2000136

［73］ Wang D.， Liu H.， Li Y.， Zhou G.， Zhan L.， Zhu H.， Lu X.， Chen H.， Li C. Z.，，2021，（4）， 945—957

［74］ Yao M.， Li T.， Long Y.， Shen P.， Wang G.， Li C.， Liu J.， Guo W.， Wang Y.， Shen L.， Zhan X.，， 2020，（3）， 217—224

［75］ Zhang N.， Jiang T.， Guo C.， Qiao L.， Ji Q.， Yin L.， Yu L.， Murto P.， Xu F.，.， 2020，，105111

Research Progress of Semitransparent Organic Solar Cells

ZHENGHaolin1，2， LIUWuyue1， ZHUXiaozhang1，2*

（，，，，100190，；，，100049，）

Semitransparent organic photovoltaics（ST-OPVs） have intrinsic advantages over other inorganic photovoltaics due to the tunable electronic energy levels and selective absorption spectra of the active layer material in applications such as power-generating roofs for greenhouses and color-adjustable windows for modern buildings and exterior walls. With the rapid development of highly efficient narrow bandgap polymer donors and near-infrared non-fullerene acceptor materials， ST-OPVs have made rapid advances in light utilization efficiency over the past decade.The intrinsic and optically modified semitransparent devices exceed 3% and 5%， respectively. In order to further promote the practical use of semitransparent organic photovoltaic， how to further improve the optical efficiency of the device is still the key research direction. Therefore， this paper reviews the recent important progress of ST-OPVs from the theoretical model of the semitransparent device， the design of the active layer material and the optical modification of the device， so as to provide a reference for the improvement of the device performance in the future.

Semitransparent organic solar cell； Active layer material； Optical modification of device

O62

10.7503/cjcu20230365

2023-08-10

网络首发日期： 2023-08-28.

联系人简介: 朱晓张, 男, 博士, 研究员, 主要从事有机光电功能材料方面的研究. E⁃mail: xzzhu@iccas.ac.cn

国家自然科学基金（批准号： 52225305, 22175187, U2032112, 21905163）和中国科学院国际伙伴计划项目（批准号：027GJHZ2022036GC）资助 .

Supported by the National Natural Science Foundation of China(Nos.52225305, 22175187, U2032112, 21905163) and the International Partner⁃ship Program of Chinese Academy of Sciences(No.027GJHZ2022036GC).

（Ed.：V，K，S）