鄭昊霖，劉武岳，朱曉張

半透明有機太陽能電池研究進展

鄭昊霖1，2，劉武岳1，朱曉張1，2

（1. 中國科學院化學研究所北京分子科學國家實驗室, 中國科學院有機固體重點實驗室, 北京 100190； 2. 中國科學院大學化學科學學院, 北京 100049）

半透明有機光伏(ST-OPVs)相比其它無機光伏技術, 因為其活性層材料可調(diào)節(jié)的電子能級和選擇性的吸收光譜, 在作為溫室的發(fā)電屋頂、現(xiàn)代建筑外墻和采光玻璃等應用中具有本征優(yōu)勢. 隨著高效窄帶隙聚合物給體和近紅外非富勒烯受體材料的快速發(fā)展, ST-OPVs的光利用效率在過去十年取得了顯著進展, 本征和具有光學修飾的半透明器件的光利用效率分別超過了3%和5%. 為了進一步推動半透明有機光伏技術的實用化, 進一步提升器件的光利用效率仍是研究重點. 基于此，本文分別從半透明器件的理論模型、活性層材料設計和器件光學修飾等角度綜合評述了近期ST-OPVs的重要進展, 為未來器件性能的優(yōu)化提供了參考.

半透明有機光伏；活性層材料；器件光學修飾

為了解決我國重大能源問題，我國作為有擔當?shù)氖澜绱髧瑖鴦赵簩τ凇半p碳戰(zhàn)略”工作提出的意見中明確指出，到2025年非化石能源消費比重超過20%；到2030年，非化石能源消費比重超過25%，風電、太陽能發(fā)電總裝機量超過12億千瓦以上；到2060年，非化石能源消費比重超過80%. 隨著人們對“凈零能源”概念認識的不斷加強，改造自供電建筑或自供電電子設備正成為提供自身能源的一種趨勢. 研究者們提出集成光伏這一概念并已經(jīng)對此進行了應用［1］，如利用建筑集成光伏（BIPVs）將光伏材料置于屋頂或墻壁的設備［2～8］，通過收集光子能量為家庭或其它應用提供能源.

相比于無機光伏，半透明有機光伏（ST-OPVs）最大的優(yōu)點在于有機材料結構性的吸收， ST-OPVs可以通過選擇性的利用太陽光譜，同時實現(xiàn)高透光率和高光電轉(zhuǎn)換效率. 雖然現(xiàn)在效率方面還有一定的差距，但目前已有報道的ST-OPVs在近紅外區(qū)的非輻射能量損失低于單晶硅［9］，說明ST-OPVs仍然具有很大的潛力待我們挖掘. 近年來，隨著不透明有機光伏材料在能量轉(zhuǎn)換效率上取得的較大突破，基于非富勒烯受體最先進OPVs的PCE（光電轉(zhuǎn)換效率）值已超過19%［10～18］，而不透明有機光伏的PCE往往可以用來初步預測ST-OPVs的性能，因此ST-OPVs同樣具有巨大的發(fā)展?jié)摿?

為了實現(xiàn)高的能量轉(zhuǎn)換效率， ST-OPVs應在提供相當可觀的光電轉(zhuǎn)換效率的同時，保持良好的透過率和顯色性能［19～23］. 提升半透明有機光伏材料效率通常有如下策略：活性層材料的設計、半透明頂電極和器件工程. 對活性層的優(yōu)化包括：設計新型高效率給受體分子、優(yōu)化給體與受體材料的比例、引入超窄帶隙材料作為第三成分，調(diào)整活性層合適的形貌，以實現(xiàn)光子收集和電荷收集之間的權衡. 半透明頂電極應該在可見區(qū)域提供良好的透明度和高導電性. 最初，采用超薄金屬電極作為頂部透明電極是一種簡單的策略，但其透過率相對有限. 如通過繼續(xù)減薄單層金屬膜厚度的方法提升透過率，則往往會形成不連續(xù)的島狀膜，導致方阻急劇增加，無法實現(xiàn)透明電極的功能. 為了解決這一問題，研究者探索了多種透明電極制造方法來尋找替代方法，如超薄雙層金屬膜、透明導電氧化物、金屬納米線、透明導電聚合物、碳納米管、石墨烯等. 而在器件工程方面，研究者們提出了光子晶體、防反射涂層、光學微腔和介電/金屬/介電（DMD）結構等光學修飾的方法，以實現(xiàn)光譜選擇性透射和反射，同時提高ST-OPVs的PCE和AVT（平均可見光透過率）. 表1［19，24～43］總結了代表性的ST-OPVs.

Table 1　Summary of representative ST-OPVs

本文首先介紹了ST-OPVs的器件結構和性能參數(shù)，然后介紹兩種描述ST-OPVs的理論模型，再全面總結ST-OPVs活性層材料的發(fā)展；接下來簡略列舉了器件工程在ST-OPVs中的應用，簡略介紹了 ST-OPVs在農(nóng)業(yè)大棚、光伏窗戶中的應用；最后是關于近年來熱點工作的總結和對ST-OPVs未來的展望.

1 半透明有機光伏器件的器件結構和性能參數(shù)

1.1　半透明有機光伏器件的器件結構

半透明有機光伏器件與不透明光伏器件的結構相近，以正向器件為例（圖1），主要的區(qū)別是頂電極需要同底電極一樣為透明電極. 由于半透明器件透過可見光的要求，故需要利用光活性層的選擇性吸收，使可見光透過器件，高效利用紫外光和近紅外光. 頂電極目前最簡便的制備方法即蒸鍍小于 20 nm的銀，可以在保證一定透過率下實現(xiàn)較低的方阻，但追求更高的透過率時，小于10 nm銀的方 阻急劇上升，嚴重影響器件的填充因子. 故新型的透明電極［如銀納米線、銀柵格、無定形ITO（氧化銦錫）和石墨烯等］給ST-OPVs的制造和加工帶來了更加廣闊的創(chuàng)新空間和發(fā)展前景. 與此同時，由于 ST-OPVs相較于不透明光伏能更多的利用近紅外光，用做底電極的高電導率ITO在近紅外區(qū)較低的透過率也是性能難以取得突破的關鍵. 而對于活性層來說，則是在保證高效的同時，盡量減少在可見光區(qū)的吸收.

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

1.2　半透明有機光伏器件的性能參數(shù)

半透明有機光伏的性能參數(shù)主要包括描述性能的PCE和描述可見光過透過率的人眼AVT，其中PCE與不透明器件的計算方法相同.

1.2.1PCEOSCs的PCE是評價半透明OSCs性能的重要參數(shù)之一. 其中SC是短路電流密度，OC是開路電壓， FF是填充因子，in是入射光功率. 所有的太陽能電池的PCE測試都是在AM 1.5G的太陽光 譜條件下完成.SC是在沒有外加電壓時的電流密度，電荷在內(nèi)場的作用下會漂移. 其與激子的產(chǎn)生和分離密切相關. 其次，OC是太陽能電池在電流為零時傳遞的電壓，其值與給體的最高占據(jù)分子軌道（HOMO）和受體的最低未占據(jù)分子軌道（LUMO）的能量差呈正相關. 另外，雙分子復合和給受體之間的電子耦合能力也會影響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. 整個器件的（）是光子穿過每一層結構的透過率綜合，其中活性層和電極的消光系數(shù)最大，對器件AVT的影響也最大.（）是一個以554 nm為中心對稱的函數(shù)，其95%最大值的范圍是400～600 nm左右，超過這個范圍的消光系數(shù)對AVT的影響很小，故保證活性層在可見光區(qū)的弱吸收對于提高AVT來說至關重要.

1.2.3光利用效率（LUE）隨著半透明電池的發(fā)展，為了對比不同AVT下的器件性能， Lunt等［44］提出光利用效率（LUE）這個參數(shù)，計算公式如下：

1.2.4顏色參數(shù)此外，作為光伏玻璃使用時還需要關注器件的光學參數(shù)，包括色坐標、色溫（CCT）、和顯色指數(shù)（CRI）等. 色坐標用來描述白光透過光伏器件后的顏色，通過色坐標可以在標準色度圖（CIE 1931）上精確地標明一個點，該點代表著器件在人眼中成像顯示的顏色. 色溫是用來描述光透過光伏器件后的冷暖光情況，一般規(guī)定大于6500 K為冷光，小于6500 K為暖光. 顯色指數(shù)則描述透過光伏器件后某種顏色與參照光源下顏色相符程度的度量，顯色指數(shù)越高，越接近本來的顏色，范圍是 0～100，通過計算8種標準顏色的偏差取平均值得出.

1.2.5紅外阻隔率（IRR）太陽能主要是由紫外線、可見光和紅外線3種電磁波組成，而紅外線的熱量占比高達53%. 而紅外阻隔率即光伏器件阻隔紅外線的比例與總紅外線入射量的比值可定義為紅外阻隔率（紅外阻隔率=1－紅外線透過率）. ST-OPVs受體材料由于其在近紅外區(qū)域的特征吸收，具有很高的紅外線阻隔率，因此具有良好的隔熱性能.

2 半透明有機光伏器件的理論模型

2.1　Richard R. Lunt理論模型

半透明光伏器件有兩個基本參數(shù)：（1）反映能量轉(zhuǎn)換能力的PCE；（2）反映采光能力的AVT. 于是Lunt等［44］提出了一個綜合評估半透明光伏器件性能的指標，即LUE. 2012年，在他提出的用來估計透明光伏器件肖特基昆西極限（S-Q極限）的外量子效率模型中，理論效率極限被確定為透明度的函數(shù)，以定義透明單結和多結光伏在一系列應用中的最大可實現(xiàn)目標. 可感知可見光的范圍首先通過CRI分析來確定，然后利用具有輻射限制復合暗電流的肖克基理想二極管方程計算了熱力學極限效率，確定可見透明太陽能電池的熱力學效率極限.

在Richard R. Lunt提出的模型中， ST-OPVs可以同時利用紫外光和近紅外光. 基于富勒烯（吸收紫外光）和窄帶隙聚合物（吸收近紅外光）作為活性層的半透明光伏器件，這一策略在非富勒烯受體蓬勃發(fā)展前，在當時被證明是實現(xiàn)高性能的理想途徑. 但紫外光的利用限制了器件的長期工作［45］，紫外光的長期照射會導致器件的老化，進而使透光率下降，是光伏器件性能衰退的重要因素. 隨著非富勒烯受體的快速發(fā)展，基于寬帶隙聚合物和窄帶隙非富勒烯不透明有機光伏器件的效率已經(jīng)遠遠超過了基于富勒烯的器件，實現(xiàn)了高能量轉(zhuǎn)換效率（超過19%）. 但這類材料組合在可見光區(qū)無法實現(xiàn)選擇性吸收，不能充分發(fā)揮有機光伏的特點，導致有限的平均可見光透過率和較低的光利用效率.

2.2　朱曉張理論模型

2016年，朱曉張課題組［46］提出利用超窄帶隙非富勒烯受體和窄帶隙給體匹配形成近紅外互補吸收的材料組合，為構筑高效半透明有機光伏提供了一種新策略. 這種策略有利于同時實現(xiàn)高能量轉(zhuǎn)化效率和高平均可見光透過率，并顯著提高隔熱性能. 已經(jīng)被證明在發(fā)展高性能ST-OPVs中是有效的，在沒有額外光學修飾的情況下實現(xiàn)了3%以上的光利用效率.

2022年，朱曉張課題組［47］建立了理想的“給受體近紅外區(qū)互補吸收”的EQE模型，基于精細平衡理論，探索基于具有近紅外互補吸收活性層材料ST-OPVs的光利用效率極限. 在準平衡條件下，基態(tài)和激發(fā)態(tài)之間的吸收和發(fā)射過程處于動態(tài)平衡，輻射率可以由黑體輻射效率計算得出. 同時，根據(jù)熱力學極限可以假設EQE（外量子效率）等于吸收效率. 由此建立如圖2所示的EQE模型來描述一個 ST-OPVs. 從圖中可以看出，一個理想的半透明有機光伏的器件由兩部分組成：（1）活性層吸收左邊切線（front）到活性層材料帶隙（onset）之間的光子被全部吸收并全部轉(zhuǎn)換成電流；（2）波長比活性層吸收峰左邊切線短的光子被部分吸收，保持一個相對較高的透過率，這個相對比例定義為理想因子（）.front，onset和是描述特定的一組活性層材料的3個參數(shù)，以常見的基于非富勒烯的BHJ有機光伏來看，front和主要取決于給體材料，而onset則取決于非富勒烯受體材料. 因此將front定義在300～700 nm，onset定義在700～1300 nm.

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

原始的S-Q理論假設帶隙之上（波長短于onset）的高能光子被完全吸收并轉(zhuǎn)化為光電流，并且只 關注帶隙之上空穴和電子之間的輻射復合，在能量損失（loss）的分析中被稱為Δ1. 在一定的偏壓 下，吸收的光子減去重組損失的光子就是光伏器件的電流密度，即為一定偏壓下流過光伏器件的電流. 通過-曲線計算可以得到S-Q極限下的OC，SC， FF和PCE. 在該EQE模型中，onset以上的高能光子不會被完全吸收，從300 nm到front只吸收1－，而從front到onset可以完全吸收. 由于EQE的數(shù)值由front和決定，吸收的光子通量（photon）和零準費米能級（RR0）的輻射復合速率需要分為兩項，并可以表示為

式中：（）是入射光的功率密度；是光速；是普朗克常數(shù)；是光伏器件的溫度；b是玻爾茲曼 常數(shù). 因此，通過和原始S-Q理論類似的過程可計算出近紅外EQE模型的-曲線. 至此，可以得到 不同的front，onset和下的能量轉(zhuǎn)換效率，計算結果如圖3所示. 當理想因子等于0的情況下就是原始S-Q極限的結果，當onset在930 nm左右（g=1.34 eV）時，可以達到理論最高的能量轉(zhuǎn)換效率（33.7%）.

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

對于該模型中半透明光伏器件的光利用效率即可由以下方式計算得出：

式中：（）是透射率，它等于從300 nm到front的理想因子，另外由于front到onset完全吸收的假設，front之后的透過率為0.（）是人眼流明效率，如圖4所示，它在550 nm處有一個峰值，在可見光范圍之外可以忽略不計. 考慮到器件不可避免的寄生吸收和帶隙以上有機材料不可避免的基底吸收，通常將定為0.6，以考察材料吸收對器件性能的影響. 圖4中立方體圖的上表面顯示了在不同front和onset的情況下S-Q極限下半透明光伏器件的理論能量轉(zhuǎn)化效率，下表面顯示了相應的平均可見光透過率. 通過將理論能量轉(zhuǎn)化效率和平均可見光透過率相乘，得到相應的光利用效率，如立方體圖中的曲面所示.

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

根據(jù)以上結果得出如下結論：半透明的有機光伏最優(yōu)帶隙遠遠小于常規(guī)不透明光伏最優(yōu)帶隙； 半透明光伏器件的LUE由給受體共同決定，這印證了“給受體材料近紅外區(qū)互補吸收”策略的科學性；材料設計對于提升半透明器件的性能至關重要. 基于此，研究團隊通過醌式共振效應設計了一個超 窄帶隙非富勒烯受體ATT-9，基于其與窄帶隙電子給體匹配的光伏器件的光譜響應達到1075 nm （1.15 eV），接近了半透明光伏的最優(yōu)帶隙. 受益于近紅外吸收的增強，不透明器件獲得了有機光伏中首次超過30 mA/cm2的短路電流密度和超過1000 nm的非富勒烯光伏中最高的光電轉(zhuǎn)換效率（13.32%）. 隨后研究團隊還對器件進行優(yōu)化，成功實現(xiàn)半透明器件在35%的平均可見光透過率下取得了9.37%的光電轉(zhuǎn)換效率，實現(xiàn)了3.33%的LUE，這是基于非光學修飾半透明器件中的最高值.

3 半透明有機光伏器件活性層材料的設計

3.1　基于近紅外給體與富勒烯受體的半透明光伏材料

研究者們發(fā)現(xiàn)只有發(fā)展在可見光區(qū)不吸收的材料才能同時實現(xiàn)高效率和高透過率. 人眼流明效率顯著的范圍只占太陽光譜的一小部分，如果可以高效利用剩余部分的光譜，就可以克服效率和透過率此消彼長的問題. 在ST-OPVs發(fā)展的前期，基于以上的理論研究和近紅外聚合物電子給體材料在不透明光伏中性能的飛速發(fā)展，通過聚合物來吸收近紅外光，富勒烯來吸收紫外光的半透明光伏占據(jù)了研究的主導［48～56］. 圖5展示了相關的分子結構.

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

Yang等［48］利用窄帶隙的聚合物電子給體PBDTT-DPP（吸收截至850 nm）和富勒烯受體進行匹配，頂部透明電極采用高度透明的銀納米線-金屬氧化物復合導電膜，通過溶液處理制備的高性能、透明聚合物太陽能電池的光活性層對可見光并不太敏感，反而能從近紅外區(qū)域收集太陽能. 通過這種組合，優(yōu)化后的聚合物太陽能電池實現(xiàn)了4%的能量轉(zhuǎn)換效率，且在550 nm處的最大透明度為66%. Jen等［49］設計合成稍寬帶隙的聚合物PBDTTT-CT（吸收截至780 nm），通過器件工程調(diào)控超薄金屬頂電極的厚度，在2%到36%的透過率（370～740 nm時的平均值）實現(xiàn)了7.56%到4.25%的PCE. 得益于在可見區(qū)較為平均的EQE響應，器件的CRI皆大于96，且透過率較高的器件CT也較為接近5500 K，得到了令人滿意的顯色效果. 該工作首次將光學模擬運用到半透明有機光伏中，通過測量每一層材料的復折射率代入轉(zhuǎn)移矩陣，即可得出光場在多層器件中的分布，并能夠計算出激子生成速率，這種模擬對于之后進行光場調(diào)控和優(yōu)化各層厚度至關重要. 隨后他們［50］采取氟代策略，將經(jīng)典的窄帶隙聚合物PCPDTBT用氟原子取代，合成了一個新的窄帶隙聚合物PCPDTFBT（截止波長870 nm）. 由于氟原子的引入拉低了HOMO能級，也隨之帶來了更大的開路電壓，在47%的平均透過率（380～700 nm）下實現(xiàn)了5.0%的PCE，這在當時是相近透過率下最高的性能. Yang等［51］在PBDTT-DPP的基礎上，提出了一種在DPP單元聚合物上的硒取代物，即PBDTT-SeDPP. PBDTT-SeDPP的吸收光譜（帶隙為1.38 eV）與PBDTT-DPP相比，紅移了約50 nm. 通過PBDTT-FDPP-C12/PC61BM作為前電池， PBDTT-SeDPP/PC71BM作為后電池， TiO2/AgNW作為頂電極制備了半透明疊層器件. 由于前后電池都在可見區(qū)吸光較少，在43%的平均透過率（400～650 nm）下實現(xiàn)了高達6.4%的PCE.

隨后，基于類似的材料體系，其它研究者還拓展了透明頂電極的研究. 如Matsuo等［52］以PTB7/PCBM為活性層， MoO摻雜的碳納米管為頂電極，制備了厚Ag電極厚度一半的半透明器件，并實現(xiàn)了4.1%的PCE. Ma等［53］以PTB7-Th/PCBM體系為活性層，創(chuàng)新性地使用AgNW作為頂電極，與經(jīng)典的MoO3/Al/MoO3頂電極（AVT=19.5%， PCE=5.77%）相比，在不影響PCE（5.01%）的情況下，使器件的透過率大幅提高至50.3%，證明了AgNW在半透明光伏中比超薄金屬電極的優(yōu)越性. Wong等［54］基于P3HT， PCDTBT， PBDTTT-CT和PTB7-Th與PCBM匹配，通過3個3.6 cm2的器件串聯(lián)刮涂制備了大面積的半透明器件，得到了總面積為10.8 cm2的模組. 基于PTB7-Th/PCBM的模組的平均透過率可以達到10%， PCE可以達到5.8%，這為半透明光伏材料的大面積鋪設提供了思路. Chen等［55］基于前人的工作優(yōu)化了PTB7-Th/PCBM體系的頂電極，在半透明器件的頂端額外制備了Ag/ITO/Ag的光學諧振腔，通過控制ITO層的厚度，調(diào)制不同波長的透過率，并保證器件的性能不受影響，成功實現(xiàn)器件從藍、綠、黃綠、黃、橘到紅的顏色連續(xù)調(diào)制，在黃綠光的器件中實現(xiàn)了最大透過率（17.3%）下高達8.2%的效率，表明半透明器件可以通過對界面的修飾改變顏色，并進一步說明了建筑光伏在一體化應用中具有重要前景，也為后續(xù)研究者在多彩半透明器件中的發(fā)展提供了思路. Uddin等［56］以PffBT4T-2OD/PCBM為活性層材料，制備了有利于大面積加工厚膜的半透明器件，其活性層厚度可達到120～300 nm，并獲得了6.60%的PCE， AVT為16.3%， CRI為90.7.

3.2　基于中寬帶隙給體和近紅外非富勒烯受體的半透明有機光伏

富勒烯及其衍生物作為受體，由于其高遷移率和強拉電子能力，一段時間內(nèi)曾是有機光伏領域的明星分子［57，58］. 這得益于富勒烯衍生物合適的球形結構，與給體混合后可以達到10%以上的PCE. 然而，以富勒烯為受體材料在有機光伏的進一步發(fā)展卻存在以下的限制：（1）吸收整體較弱，不利于光子采集；（2）通過化學修飾對分子能級調(diào)節(jié)有限；（3）由于容易聚集和二聚化導致光穩(wěn)定性差，在加熱或照明下形態(tài)和設備性能不穩(wěn)定. 這些缺點限制了基于富勒烯衍生物為受體材料的改進［59，60］. 近年來，在可見-近紅外區(qū)域吸收寬、吸收強、能級易于調(diào)節(jié)、吸收簡單的非富勒烯受體（NFAs）成為了研究的熱點. NFAs的優(yōu)點包括：（1）容易調(diào)控光譜的吸收波段，使光電流顯著提高；（2）容易用更簡單的合成路線調(diào)控帶隙，以提高OC；（3）更優(yōu)的電荷解離特性，即在較小的驅(qū)動力下也可以完成電荷與空穴的分離，這在富勒烯體系中很難實現(xiàn). 到目前為止， NFAs已經(jīng)被證明［61］在實現(xiàn)高的PCE的同時能夠同時實現(xiàn)高的AVT.

基于非富勒烯的受體材料雖然沒有基于富勒烯衍生物的材料效率高，但非富勒烯受體由于容易修飾的特點展示了巨大的發(fā)展?jié)摿? 近年來，鄒應萍等［62～67］開發(fā)的具有A-DAD-A結構的明星受體Y6 一經(jīng)發(fā)表即引起了廣泛的關注. DAD型主核可以增強電子推拉效應，并能夠提高電子在平面結構內(nèi)的離域性. 缺電子BT分子被引入中心主核形成的DAD結構，通過稠和橋有利于電子離域進而更容易形成平面結構，這種結構致使光致發(fā)光量子產(chǎn)率明顯高于傳統(tǒng)的A-D-A設計，成功使非輻射復合得到了抑制. 然而，這類分子的高效率往往得益于較高的開路電壓，具有很深的HOMO能級，當與窄帶隙聚合物電子給體匹配時往往造成很大的能量損失，只有與中寬帶隙的給體材料才能形成良好的匹配. 而問題是，當使用中帶隙和寬帶隙電子給體制備ST-OPVs時，中寬帶隙電子給體在可見光范圍內(nèi)會有很強的吸收，不利于器件的可見光透過性. 因此，盡管這種半透明器件的光電轉(zhuǎn)換效率比傳統(tǒng)器件有明顯提升，但其透光率一般不高，理論上在光利用效率上很難取得突破. 部分典型結構展示在圖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］通過氯取代策略設計了具有低HOMO能級的中寬帶隙給體J101，與Y6設計成的器件獲得了11.04%的PCE，但平均透過率只有21%. 隨后， Zou等［25］將中間主核中的苯并噻二唑替換為苯并三氮唑以增加溶解度，將末端調(diào)整為INCN-1F以設計了受體分子Y14，與PBDB-T匹配后獲得了12.6%的PCE，平均透光率（AVT=23%）也得到了提升，證明該策略的有效性. 與含硫雜環(huán)相比，含硒雜環(huán)一直以來也被證明能有效地減小帶隙. 因此在Y6的基礎上，研究者也考慮將含硒雜環(huán)引入Y6類似物中. 相比于Y6基于硒雜環(huán)的Y6Se薄膜帶隙僅為1.32 eV. 隨后他們［68］又通過氯代策略在相同的硒雜環(huán)的主核上引入氯取代的末端，設計的受體分子Y6-Se-4Cl具有1.31 eV的更窄的帶隙，但這些化合物還沒有被應用于半透明有機光伏.

此外，通過調(diào)控給受體比例也被認為是一種實現(xiàn)高LUE的策略. 該策略與窄帶隙聚合物受體和近紅外非富勒烯受體進行搭配的策略相似，即適當降低給體的比例減少可見光波段的吸收以實現(xiàn)良好的平均可見光透過率，而EQE則主要由吸收在近紅外波段的受體決定. Zhang等［26］利用寬帶隙聚合物D18-Cl為給體， Y6-1O作為受體， Y6作為第三組分來制備ST-OPVs. 基于D18-Cl∶Y6-1O的二元不透明器件可以實現(xiàn)14.92%的PCE. 通過調(diào)控給受體比例（質(zhì)量比從1.1∶1.6降低到0.7∶1.6），混合膜的平均可見光透射率AVT從30.3％顯著提高到47.3％. 保持給受體比例恒定（質(zhì)量比0.7∶1.6），相應的三元ST-OPVs的AVT也提高到50.1％. 以Au（1 nm）/Ag（10 nm）為電極的ST-OPVs獲得了13.02％的PCE， 20.2％的AVT和2.63％的光利用效率. Chen等［19］等采用分子量調(diào)節(jié)的高效順序沉積（SD）策略提高ST-OPVs的性能，通過合成了一系列不同分子量聚合物給體PCE10-2F微調(diào)聚合物的結晶度，不僅有利于形成致密和堅固的薄膜，而且還可以合理地調(diào)控給體/受體的相容性以增強界面接觸. 相應的ST-OPVs實現(xiàn)了10.01%～11.11%的PCE和39.93%～50.05%的高AVT. 在沒有光學修飾的情況下， ST-OPVs實現(xiàn)了5.01%光利用效率（LUE），成功實現(xiàn)了PCE和AVT平衡.

人力資源管理系統(tǒng)之中，應當加強績效管理的運用，從而提升人力資源管理的質(zhì)量以及效率，促進醫(yī)院可以實現(xiàn)健康以及穩(wěn)定發(fā)展。首先，進行績效考核的過程當中，注意考核和崗位實現(xiàn)有效融合。對員工考核過程當中，醫(yī)院方面應當對護理及醫(yī)生進行不同層面考核，考核內(nèi)容、考核指標差異化，也需要注意技術、難度、勞動強度、專業(yè)特點、職責崗位以及風險系數(shù)等多方面因素，切忌一刀切，實現(xiàn)全面、綜合性考核?？己诉^程當中應當避免僵化，實現(xiàn)動態(tài)化的考核，并且獎金發(fā)放以及職稱評聘要有依據(jù)，對于表現(xiàn)良好員工需要給予一定精神獎勵以及物質(zhì)獎勵，促使工作積極性得到顯著提高，督促員工不斷提升自我。

此外，基于Y6設計的多功能ST-OPVs也在研究之中，除了上述的隔熱功能外，彩色半透明光伏是另一個重要的研究方向，不同顏色的光伏玻璃有利于美觀，同時實現(xiàn)功能和裝飾性. 如， Li等［69］通過基于Ag/TeO2/Ag材料的光學諧振器制造了彩色半透明光伏裝置，藍色器件的PCE和AVT分別為14.04%和31.0%，綠色器件的PCE和AVT分別為14.60%和21.8%，紅色器件的PCE和AVT分別為14.28%和25.2%.

3.3　基于窄帶隙聚合物和近紅外非富勒烯受體的半透明有機光伏

2016年，朱曉張課題組［46］首先提出非富勒烯受體容易調(diào)控光譜的吸收波段，嘗試將其運用到半透明有機光伏器件中. 2017年，他們［46］首次提出將近紅外受體與窄帶隙聚合物匹配制備半透明有機光伏器件. 基于此前設計具有強醌式效應的非富勒烯受體ATT-1，引入更強拉電子能力的末端INCN，設計出非富勒烯受體ATT-2. 在強的分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移性質(zhì)（ICT）和醌式共振效應的共同作用下，實現(xiàn)了在近紅外區(qū)的強吸收（吸收末端超過950 nm），成功與窄帶隙聚合物給體PTB7-Th匹配，在AVT=45%下實現(xiàn)了6.3%的PCE. 此后他們對頂電極進行了厚度的調(diào)控， Ag電極的厚度從20 nm減小到10 nm可以成功實現(xiàn)AVT=37%， PCE=7.7%. 除此之外，由于合理的光譜調(diào)控，該器件還具有良好的顯色指數(shù)（CRI=94.1）. 在此之后，這種窄帶隙聚合物給體材料搭配近紅外非富勒烯受體的策略，占據(jù)了有機半透明光伏的研究主導，各類高性能體系被相繼報道，部分典型結構展示在圖7中. 2022年，朱曉張課題組［47］設計并合成了一種新型的非富勒烯受體ATT-9，具有對于半透明有機光伏理論預測下的的最優(yōu)帶隙. 基于其與PTB7-Th的不透明器件實現(xiàn)了的30 mA/cm2的短路電流密度和13.40%的光電轉(zhuǎn)換效率，為報道時帶隙低于1.2 eV有機光伏器件的最高值. 得益于最優(yōu)的光學帶隙和低的能量損失，基于ATT-9的半透明有機光伏器件在沒有修飾的情況下實現(xiàn)了3.33%的光利用效率. Zhan等［70］設計了一個非富勒烯受體IHIC，其帶隙為1.38 eV，該結構以一個六環(huán)稠合的主核，同時引入強拉電子的INCN. 基于PTB7-Th和IHIC為活性層的共混膜顯示出強的近紅外吸收和弱的可見光吸收（300～600 nm），并獲得了高達1.6×105L·mol?1·cm?1的消光系數(shù). 該結構的優(yōu)點還體現(xiàn)在IHIC分子內(nèi)部的剛性、平面核心結構和S-S相互作用抑制了旋轉(zhuǎn)弛豫，減少了重組能，因此得到了高達2.4×10?3cm2·V?1·s?1的電子遷移率. 與此同時， Hou等［71］為獲得吸收波段更加紅移的材料，將富電子的橋插入IDT主核和INCN末端中間，噻吩位的烷氧取代的給電子能力與INCN形成強的ICT效應，將光譜大幅拓展到接近1000 nm. 同時，由于合理的能級調(diào)控策略，基于PTB7-Th∶IEICO-4Cl的器件實現(xiàn)了0.5 eV的低能量損失，基于該體系的半透明器件實現(xiàn)了高的平均透過率（25.7%），并且保持了相當可觀的光電轉(zhuǎn)換效率（8.4%）. Forrest等［27］開發(fā)的非富勒烯受體BT-IC，通過末端工程的改造，強拉電子基團INCN-2Cl的引入，成功將光譜拓展到超過900 nm. 將該受體材料與給體分子PTB7-Th制成的半透明器件在26%的平均透過率下實現(xiàn)了8.2%的PCE. 此后， Zhan等［28］在此前的基礎上為了增強分子的ICT效應，設計了一個非富勒烯受體IUIC，該受體具有更強的給電子能力、更大的共軛（11環(huán)稠合）單元和更強拉電子能力（INCN-2F）末端基團. 與七環(huán)稠合主核的ITIC4相比有更大的共軛體系，得到了符合理論預期的紅移吸收（帶隙為1.41 eV）和較大的消光系數(shù)3.2×105m?1·cm?1. 基于PTB7-Th∶IUIC的半透明器件在31%的平均透過率下實現(xiàn)了10%的PCE，而基于PTB7-Th∶ITIC4的器件僅達到6.42%的PCE，平均透過率也僅為28%. 此外， Zhan等［29］還設計了一個全新主核3TT，同樣引入與之匹配的拉電子末端INCN-1F，在抬高受體分子FOIC的HOMO能級的同時， LUMO能級并沒有顯著影響，使帶隙達到了1.32 eV，這使得光譜的大幅紅移超過100 nm.

基于該受體分子與PTB7-Th的器件在37.4%的平均透過率（370～740 nm）下實現(xiàn)了10%的PCE. Li等［30］為了實現(xiàn)光譜的紅移，在IDTT主核與INCN-1F末端的中間引入一個烯鍵，設計了一個非富勒烯受體ITVflC，相比沒有烯鍵的ITIC-2F實現(xiàn)了約80 nm的紅移. 基于其與PTB7-Th的器件在26.4%的平均透過率（370～740 nm）下實現(xiàn)了8.2%的PCE. 此外，該器件還具有良好的熱穩(wěn)定性，即使200 ℃下工作2 h，依然保持初始光電轉(zhuǎn)換效率的91%. Forrest等［31］開發(fā)的受體A078，與給體分子PTB7-Th進行匹配，通過對器件的調(diào)控，利用多層的減反層和出光耦合層調(diào)制半透明器件對光譜的利用，成功抑制了活性層在可見光區(qū)的吸收. 具有光學修飾層的器件取得了45.7%的AVT下10.8%的PCE，對比沒有光學修飾層器件（AVT=25%， PCE=11%），在效率方面有了很大提升，說明光學修飾層也是提升半透明性能中不可忽視的重要因素. Chen等［32］也提出通過光譜選擇性設計半透明有機光伏活性層的概念，他們通過該策略設計的非富勒烯受體H3與PTB7-Th匹配后，能夠在近紅外區(qū)取得強的吸收響應，并且在可見光區(qū)吸收較弱，能夠?qū)崿F(xiàn)光譜的互補. 通過TeO2作為光學修飾層，實現(xiàn)了50%透過率下8.38%的PCE.

4 器件工程

近年來，在器件工程方面提出了多種策略同時改善PCE和AVT. 對ST-OPVs器件上的優(yōu)化，有益于加快建筑集成光伏的構建. 這些通過光學修飾的方法可以提高半透明器件的光子的吸收和可見光透過率，進而提高器件的LUE. 同時，觀感美觀舒適的多彩ST-OPVs同樣也是實現(xiàn)建筑集成光伏的關鍵. 因此，通過調(diào)控ST-OPVs的顏色，制備成具有視覺美感的彩色器件也是器件工程中重要的部分. 下面從提高透過率和調(diào)控器件顏色兩方面總結器件工程方面的工作.

4.1　光學修飾提高器件透過率

傳統(tǒng)的有機太陽電池由于其結構的特殊性，其自身的透光率和顏色無法進行調(diào)節(jié). 因此，如何制作出具有高顯色性、高自然光指數(shù)的半透明光伏器件仍然是一個巨大的挑戰(zhàn). 而引入光子晶體則可以使入射器件的光在不同波長下選擇性的透射或反射，與活性層的吸收光譜更加匹配，從而提升其吸光率，并調(diào)控其顯色性能，達到顏色顯示的目的. 此外，引入光子晶體還可以調(diào)節(jié)器件的光學特性，使其更加有效地利用太陽能資源.

4.1.1周期性光子晶體目前，科研人員主要將一維光子晶體（1DPCs）應用于半透明有機光伏器件中， 1DPCs光子禁帶設計與器件活性層的吸收光譜相匹配. 當入射光到達1DPCs時，由于光子禁帶的存在，位于該部分波長的光在1DPCs內(nèi)無法穿透，而是被全反射回活性層中被重新吸收，有效地提高了器件的PCE. 同時應用不同禁帶波長及禁帶寬度的光子晶體可以調(diào)控器件的透射光譜，增強了器件的透射顏色的多樣性與顯色性. 部分器件結構展示在圖8中.

2012年， Shen等［33］報道了以P3HT∶PC61BM為活性層，由WO3/LiF組成的一維光子晶體. 通過引入一維光子晶體，該半透明有機光伏器件的PCE=2.58%，相比于不使用一維光子晶體設計而成的器件（PCE=2.04%）， PCE提高了26%. 在400～600 nm的光譜范圍內(nèi)，平均透光率幾乎為零，說明一維光子晶體結構可以充分反射光子. Cao等［34］報道了以PTB7∶PC71BM為活性層，由SiO2/TiO2組成的一維光子晶體. SiO2和TiO2呈現(xiàn)明顯的周期性分層結構. 采用此結構的器件的PCE=5.20%，最大sc可達12.25 mA/cm2，為當時同類器件的最高值. 1DPCs使器件效率提高的主要原因是器件產(chǎn)生了光學諧振腔，通過光學諧振效應顯著增強了活性層的光吸收能力.

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]

（A） Copyright 2012， American Institute of Physics；（B） Copyright 2016， the Royal Society of Chemistry；（C） Copyright 2016， Wiley-VCH.

1DPCs也可以通過調(diào)節(jié)器件的透射光譜來制備可調(diào)節(jié)顏色的彩色半透明有機光伏器件. Li等［35］開發(fā)了一種周期性（MoO/LiF）作為1DPCs，高導電率的金/銀混合薄膜作為透明頂電極. 將3種經(jīng)典的聚合物給體材料、寬帶隙聚合物（P3HT）和兩種不同能級的窄帶隙聚合物（PTB7和PTB7-Th）用作器件的測試載體. 結果顯示，其可以顯著改進或調(diào)整半透明聚合物太陽能電池的性能、重復性和顏色. 基于Au/Ag混合薄膜作為透明頂電極的半透明聚合物太陽能電池的PCE為5.5%，比對照組高出17%和7.3%. 3種沒有1DPCs的半透明聚合物太陽能電池都表現(xiàn)出綠灰色，因為它們超薄的Au/Ag頂部電極產(chǎn)生了相似的反射光譜. 而根據(jù)各自活性層的最大吸收峰所設計的1DPCs可以實現(xiàn)透射光譜的調(diào)節(jié)，從而產(chǎn)生不同顏色.

4.1.2非周期性光子晶體2007年， Martorell等［36］提出了一種特殊的光子晶體結構，使光電轉(zhuǎn)換效率達到不透明器件的80%. 基于PTB7∶PC71BM的半透明光伏器件，具有30%的AVT和5.6%的PCE. 非周期光子晶體用于捕獲近紅外和近紫外光子. 通過調(diào)控活性層結構，可以在不顯著改變器件性能的情況下調(diào)節(jié)器件顏色.

2022年， Li等［37］通過熱蒸發(fā)法設計并制備了一種非周期LiF/［TeO2］8/LiF的非周期帶通濾波器 （ABPF）. 在65 nm厚度ABPF集成的TOPVs的AVT高達78.69%，顯色指數(shù)為97.54，在近紅外區(qū)（700～900 nm）全反射. 集成后的TOPVs的LUE達到了5.35%. 通過詳細的-曲線、 EQE曲線、 ABPF和AEC集成TOPVs的透射光譜和彩色坐標對比，發(fā)現(xiàn)隨著活性層厚度的減小，集成ABPF的TOPVs在可見光區(qū)透射率顯著增加，而在700～900 nm范圍內(nèi)保持不變. 此外，封裝的基于ABPF的TOPVs表現(xiàn)出相當好的操作穩(wěn)定性，可視性和色彩更加清晰鮮明，顯示出了在建筑光伏集成應用等方面的巨大潛力.

4.2　調(diào)控器件顏色制備彩色器件

4.2.1介質(zhì)/金屬/介質(zhì)（DMD）結構在使用DMD多層膜作為頂電極的情況下，可以通過改變每層電介質(zhì)的折射率和厚度來調(diào)整透光率和反射率. 入射光和反射光的相位差決定了干涉增強和減弱效應的裝置，乘積（為折射率，為厚度）決定了介電層對特定入射波長的光的調(diào)控行為. 如果其分別是四分之一波長的奇數(shù)或偶數(shù)倍，則該波長的入射光將被增透或增反. 因此， DMD電極的選擇性增透或增反特性提供了一種通過將透過和反射波長與光活性層的吸收光譜相匹配來提高器件性能的策略. 部分典型結構示于圖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]

（A） Copyright 2009， American Institute of Physics；（B）Copyright 2020， Wiley-VCH.

Chen等［38］報道了一種結構為ITO/nc-TiO2/P3HT∶PC61BM/MoO3/Ag/MoO3的倒置半透明有機光伏器件，其中nc-TiO2薄膜作為電子傳輸層. 采用超薄內(nèi)層MoO3作為中間層提高空穴傳輸效率. 而外層MoO3作為光耦合層，提高了器件的透光率. 當從ITO側面照射時，沒有外層MoO3的器件的PCE為1.06%. 加入外層MoO3后，相應器件的PCE提高到1.40%. 外層MoO3層器件PCE的提升是由于串聯(lián)電阻的下降，從而使填充因子從42.9%提高到61.9%. 近年來，隨著有機材料的發(fā)展，具有DMD結構的半透明有機光伏表現(xiàn)出了更高的性能. Sun等［39］以PBT1-C-2Cl∶Y6為活性層材料，構筑了ITO/ZnO/PBT1-C-2Cl∶Y6/MoO3/Au結構的半透明有機光伏器件. 該器件的PCE為9.1%， AVT為40.1%. 在透明頂電極表面添加MoO3層后，相應的半透明有機光伏器件的AVT提高到44.2%，但PCE降低到8.24%. Kim等［40］報道了一種基于兩層Sb2O3和銀薄膜作為頂電極的DMD多層結構. 在電子傳輸層和Ag膜之間沉積了一層超薄Sb2O3層，作為Sb2O3/Ag/Sb2O3電極的底層. 該層抑制Ag原子的擴散和聚集，從而形成均勻的超薄Ag薄膜. 中間金屬層的厚度影響填充因子和短路電流密度，而填充因子和短路電流密度與器件電阻和光反射密切相關. 對于頂部的Sb2O3層，其厚度允許特定波長的可見光進行選擇性透過，同時反射未能被器件吸收的光，從而產(chǎn)生二向色效應. 利用活性層材料、 Sb2O3/Ag/Sb2O3與電極制作得到多種色彩的器件，這些器件的PCE為6.33%～7.88%，平均可見光透過率為23%～30%.

4.2.2光學微腔結構除了光子晶體和DMD結構外，光學微腔結構也常被用于構筑高性能的半透明有機光伏器件. 光學微腔的結構由兩層超薄金屬薄膜組成，在可見光范圍內(nèi)具有透明性，在NIR范圍內(nèi)具有顯著的反射性. 由于光學相干干涉，光學微腔可以有效地限制兩個反射層之間的共振頻率，有利于保持有效的激子解離和載流子提取. 部分典型結構示于圖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]

（A） Copyright 2014， Wiley-VCH；（B） Copyright 2019， American Chemical Society；（C） Copyright 2022， Wiley-VCH.

Lin等[41]引入了一種微腔嵌入結構的概念，這種結構使用一個夾在銀薄膜之間的透明有機層作為器件的陰極，其中器件的顏色可以通過透明有機層的厚度連續(xù)調(diào)節(jié). 這種金屬/有機/金屬（MOM）微腔陰極可以通過真空熱蒸發(fā)沉積，因此完全兼容有機活性層和玻璃或柔性塑料襯底. 通過適當?shù)慕Y構設計，微腔陰極將大部分入射光反射回活性層，增強了材料中的光場分布（高光電流），同時允許特定光譜范圍的光通過器件（透明性）. 由于光載流子由微腔底層的薄金屬層收集，而透明有機層僅作為波長調(diào)制的光學間隔層，因此器件的OC和FF等電學特性與嵌入的MOM無關. 這種特性可以在單個器件中實現(xiàn)多種顏色的外觀. 在不同厚度的電極中，以Ag（40 nm）/NPB（75 nm）/Ag（40 nm）為電極的半透明有機光伏器件的PCE最高，為5.15%，在459 nm處的最大透光率約為25%. Long等［42］提出了一種新型微腔結構，采用Au/Ag雜化電極作為反射鏡， WO3作為間隔層，實現(xiàn)了高PCE和高峰值透過率的彩色半透明有機光伏. 首先，與使用Ag電極的參考器件相比，混合Au/Ag電極的PCE和峰透過率分別提高了7.7%和5.5%. 優(yōu)化后器件的PCE達到9%以上，峰值透過率達到25%以上. 其次，證明了微腔的二階共振可以通過縮小透射峰來提高綠色ST-OSCs的顏色純度，二階和三階共振的組合可以構建彩色混合顏色的ST-OSCs. 最近， Tan等［43］引入Ag/MoO3/Ag微腔結構，對PM6∶Y6活性材料的吸收光譜進行微調(diào). Ag/MoO3/Ag微腔為器件賦予了自由可調(diào)的顏色，同時也起到了空穴收集層的作用. 在光學模擬的指導下，合理設計的Ag/MoO3/Ag微腔和Hf（ACB1）4電子收集層的器件都顯示出良好且視覺舒適的顏色（紫色、天藍、青色、綠色和品紅），顯示出獨立于PM6∶Y6材料的固有顏色. 青色器件的PCE接近12%， AVT為23.69%， CRI為92.5. 該工作為同時改進AVT和CRI以實現(xiàn)高效的ST-OPVs，并將其應用于集成建筑的光伏玻璃中提供了一種可行的方法.

5 半透明有機光伏的應用

5.1　農(nóng)業(yè)大棚

為了適應農(nóng)業(yè)應用的需求，與只需要在可見光波長范圍內(nèi)具有高透明度的ST-OPVs不同，用于溫室屋頂?shù)绒r(nóng)業(yè)應用OPVs應在植物光合作用的吸收波段處于高的透明度. 葉綠素A和葉綠素B是農(nóng)業(yè)植物葉綠素中最常見的兩種色素，這兩種色素的吸收范圍約為360～500 nm，在選擇活性層的材料時，應該在這個藍/紫光的范圍內(nèi)實現(xiàn)高透明度，而不是在整個可見波長范圍內(nèi).

考慮到上述因素， Ge等［72］基于PBDB-T-2F∶Y6的柔性半透明光伏器件通過改良PEDOT∶PSS空穴傳輸層，在21%的AVT下實現(xiàn)了超過10.5%的PCE，同時將這些器件在模擬的溫室環(huán)境中進行了測試. 在黑暗中生長的植物由于光合作用能力差，葉綠素效率很低. 相反，在柔性的半透明光伏裝置下，植物表現(xiàn)出與陽光下相當?shù)娜~片硬度，表明半透明有機光伏裝置充足的透射光對溫室環(huán)境中植物快速生長具有很好的促進作用. 同樣， Li等［73］使用PBDB-T-2F， A-2ThCl， A-4Cl和PC71BM 4種材料的共混物開發(fā)了一種基于光譜工程的高性能ST-OPVs. 將4種活性層材料制備成一種適合植物吸收的光伏窗戶，使用非鹵化溶劑處理能得到非常優(yōu)異的光伏性能. 通過制備的ST-OPVs獲得13.08%的PCE. 在該器件的濾光下，植株的生長良好，植株生長因子為24.7%，與透明玻璃下相當.

最近， Yang等［3］通過在ITO和光活性層中引入中間層-還原型谷胱甘肽，谷胱甘肽中半胱氨酸、甘氨酸能分別與氧化鋅中氧空隙、鋅缺陷結合，抑制了超氧自由基對ST-OPVs器件的氧化作用，使其具有優(yōu)良的穩(wěn)定性（1008 h仍保持84%的PCE）. 基于ITO/ZnO/PM6∶Y6/MoO3/Au/Ag的器件實現(xiàn)了13.5%的PCE和21.5%的AVT，優(yōu)于無-還原型谷胱甘肽作為中間層的器件（PCE=11.6%， AVT=21.2%），且-還原型谷胱甘肽作為中間層并不影響可見光透過率. 由于-還原型谷胱甘肽的引入抑制了載流子的復合，短路電流得以提升. 將ST-OPVs引入農(nóng)業(yè)大棚中，溫室結果表明， ST-OPVs屋頂有利于作物的成活率和生長. 這得益于半透明的屋頂具有紫外吸收的特性，而紫外線暴露會破壞芽的生物活性.

5.2　多功能發(fā)電窗戶

由于ST-OPVs具有顏色可調(diào)、輕量化和半透明的特點，為室內(nèi)多功能窗戶的使用提供了可能，該窗戶在實現(xiàn)發(fā)電的同時， ST-OPVs的光譜選擇性吸收紫光和近紅外光，窗戶同時還具有采光、裝飾和隔熱等多種功能.

2020年， Zhan等［74］將ST-OPVs的Ag電極上疊加WO3/Pt的氣致變色背反射器，可以實現(xiàn)背反射 器在H2/O2照射下的動態(tài)顏色切換，從而實現(xiàn)電極反射率的智能變化. 在高反射率狀態(tài)下， ST-OPVs 的PCE為10.23%， AVT為25.4%；低反射率狀態(tài)下， ST-OPVs的PCE較低，為9.13%，但AVT較高，為33.8%. 該設計可作為具有燃氣控制開關和發(fā)電功能的智能窗戶，如氫燃料電池汽車的天窗擋風玻璃.

5.3　水面漂浮光伏

水面漂浮光伏是一個在人口密度大地區(qū)解決土地使用競爭的好辦法，與傳統(tǒng)的大面積地面光伏相比有良好的應用前景. 水面漂浮光伏具備諸多優(yōu)勢，包括通過選擇性透過陽光防止藻類大量繁殖，通過水的冷卻作用提高器件的PCE，通過阻擋陽光降低水溫. 相較于無機光伏， ST-OPVs更適合水面漂浮光伏，因為其允許必要的光線通過水生動植物生存.

2020年， Xu等［75］將ST-OPVs應用到水面漂浮光伏，并探索其調(diào)節(jié)水生環(huán)境和生物的潛力. 通過制備3組高性能ST-OPVs，最高效率為13%，平均可見光透射率超過20%，在性能最佳的ST-OPVs中實現(xiàn)了發(fā)電和透明度之間的最佳權衡. 通過將大面積ST-OPVs放置在水體上，有效減少了水分蒸發(fā)并抑制了藻類的生長.

6 總結與展望

本綜述全面總結了半透明有機光伏的研究進展，并對各種性能改進的策略提供了詳細的總結評述. 設計并提出合理的半透明有機光伏理論模型，為指導新材料的設計提供有利策略；兩種不同帶隙寬度的受體通過搭配相應的給體，都能實現(xiàn)高的光利用效率以及通過相應策略制備功能器件；器件的光學修飾能夠提高半透明器件的光子的吸收和可見光透過率，同時也能制備彩色器件以實現(xiàn)建筑光伏一體化. 這均使半透明有機光伏成為極具前景、可持續(xù)發(fā)展的能量轉(zhuǎn)換技術.

半透明有機光伏的PCE和AVT之間的良好平衡仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)，為了實現(xiàn)建筑光伏的一體化，光利用效率以及色彩多樣性仍需要進行改善，這在活性層材料設計、活性層形貌、半透明頂電極和器件工程等方面都需要付出大量的努力. 通過“給受體近紅外區(qū)互補吸收”的EQE模型設計合適的活性層新材料，可以優(yōu)化近紅外范圍內(nèi)的光子捕獲和可見光范圍內(nèi)的透射率；優(yōu)化給體與受體材料的重量比、采用超窄帶隙材料作為第三成分、調(diào)整活性層厚度可以優(yōu)化活性層形貌實現(xiàn)光子收集和電荷收集之間的權衡；篩選合適的頂電極結構可以提高可見光范圍內(nèi)的電導率和透光率和近紅外或紫外光范圍內(nèi)的反射率；開發(fā)光子晶體、光學微腔和介質(zhì)/金屬/介質(zhì)結構等器件工程策略可以實現(xiàn)選擇性透射和反射，同時改進半透明有機光伏器件的光利用效率并調(diào)控器件的顏色.

為了實現(xiàn)半透明有機光伏的商業(yè)化和建筑集成光伏的一體化，高性能的大面積設備/模組是非常重要的，而合適的透明電極和圖案化技術是獲得高性能的大面積設備/模組的關鍵. 可印刷的透明電極（如銀納米線）結合模塊圖案化技術可以降低接觸電阻，從而提高PCE. 高穩(wěn)定性也是半透明有機光伏實現(xiàn)實際應用的先決條件. 為了提高器件的穩(wěn)定性，需在分子設計、形貌和界面調(diào)控等方面發(fā)展新策略. 以上策略可為半透明有機光伏的發(fā)展提供理論指導，隨著技術的不斷進步，半透明有機光伏將發(fā)揮出更大的應用前景，并為可再生能源的未來提供更多的可能性.

［1］ Traverse C. J.， Pandey R.， Barr M. C.， Lunt R. R.，，2018，（2）， 157

［2］ Xie D.， Zhang Y.， Yuan X.， Li Y.， Huang F.， Cao Y.， Duan C.，，2023，（11）， 2212601

［3］ Zhao Y.， Li Z.， Deger C.， Wang M.， Peric M.， Yin Y.， Meng D.， Yang W.， Wang X.， Xing Q.， Chang B.， Scott E. G.， Zhou Y.， Zhang E.， Zheng R.， Bian J.， Shi Y.， Yavuz I.， Wei K. H.， Houk K. N.， Yang Y.，，2023，， 539—548

［4］ Huang J.， Lu Z.， He J.， Hu H.， Liang Q.， Liu K.， Ren Z.， Zhang Y.， Yu H.， Zheng Z.， Li G.，，2023，（3）， 1251—1263

［5］ Wu X.， Liu S.， Li H.， Meng X.， Hu X.， Guo R.， Chen Y.，，2022，（23）， 2201803

［6］ Wang D.， Li Y.， Zhou G.， Gu E.， Xia R.， Yan B.， Yao J.， Zhu H.， Lu X.， Yip H. L.， Chen H.， Li C. Z.，，2022，（6）， 2629—2637

［7］ Liu S.， Li H.， Wu X.， Chen D.， Zhang L.， Meng X.， Tan L.， Hu X.， Chen Y.，2022，（23）， 2201604

［8］ Li Y.， Huang X.， Sheriff H. K. M.， Forrest S. R.，，2022，（3）， 186—201

［9］ Liu W.， Sun S.， Zhou L.， Cui Y.， Zhang W.， Hou，J.， Liu F.， Xu，S.， Zhu X.，，2022，（19）， e202116111

［10］ Wei Y.， Chen Z.， Lu G.， Yu N.， Li C.， Gao J.， Gu X.， Hao X.， Lu G.， Tang Z.， Zhang J.， Wei Z.， Zhang X.， Huang H.，，2022，（33）， 2204718

［11］ Zhou M.， Liao C.， Duan Y.， Xu X.， Yu L.， Li R.， Peng Q.，2023，（6）， 2208279

［12］ Wang J.， Wang Y.， Bi P.， Chen Z.， Qiao J.， Li J.， Wang W.， Zheng Z.， Zhang S.， Hao X.， Hou J.，2023，， 2301583

［13］ Li D.， Deng N.， Fu Y.， Guo C.， Zhou B.， Wang L.， Zhou J.， Liu D.， Li W.， Wang K.， Sun Y.， Wang T.，2023，（6）， 2208211

［14］ Han C.， Wang，J.， Zhang S.， Chen L.， Bi F.， Wang J.， Yang C.， Wang P.， Li Y.， Bao X.，2023，（10）， 2208986

［15］ Zhu L.， Zhang M.， Xu J.， Li C.， Yan J.， Zhou G.， Zhong W.， Hao T.， Song J.， Xue X.， Zhou Z.， Zeng R.， Zhu H.， Chen C. C.， MacKenzie R. C. I.， Zou Y.， Nelson J.， Zhang Y.， Sun Y.， Liu F.，，2022，（6）， 656—663

［16］ Sun R.， Wu Y.， Yang X.， Gao Y.， Chen Z.， Li K.， Qiao J.， Wang T.， Guo，J.， Liu C.， Hao X.， Zhu H.， Min J.，2022，（26）， 2110147

［17］ Meng L.， Liang H.， Song G.， Li M.， Huang Y.， Jiang C.， Zhang K.， Huang F.， Yao Z.， Li C.， Wan X.， Chen Y.，：.， 2023，， 808—815

［18］ Zheng Z.， Wang J.， Bi P.， Ren J.， Wang Y.， Yang Y.， Liu X.， Zhang S.， Hou J.，，2022，（1）， 171—184

［19］ Huang X.， Cheng Y.， Fang Y.， Zhang L.， Hu X.， Jeong S. Y.， Zhang H.， Woo H. Y.， Wu F.， Chen L.，，2022，（11）， 4776—4788

［20］ Meng R.， Jiang Q.， Liu D.，， 2022，（1）， 39

［21］ Guan S.， Li Y.， Yan K.， Fu W.， Zuo L.， Chen H.，2022，（41）， 2205844

［22］ Yuan X.， Sun R.， Wu Y.， Wang T.， Wang Y.， Wang W.， Yu Y.， Guo J.， Wu Q.， Min J.，2022，（22）， 2200107

［23］ Zhao Y.， Cheng P.， Yang H.， Wang M.， Meng D.， Zhu Y.， Zheng R.， Li T.， Zhang A.， Tan S.， Huang T.， Bian J.， Zhan X.， Weiss P. S.， Yang Y.，，2022，（1）， 1231—1238

［24］ Wang T.， Sun R.， Xu S.， Guo J.， Wang W.， Guo J.， Jiao X.， Wang J.， Jia S.， Zhu X.， Li Y.， Min J.，，2019，（23）， 14070—14078

［25］ Luo M.， Zhao C.， Yuan J.， Hai J.， Cai F.， Hu Y.， Peng H.， Bai Y.， Tan Z.， Zou Y.，，2019，（11）， 2483—2490

［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

［41］ Chen Y. H.， Chen C. W.， Huang Z. Y.， Lin W. C.， Lin L. Y.， Lin F.， Wong K. T.， Lin H. W.，2014，（7）， 1129—1134

［42］ Zhong J.， Xiao Z.， Liang W.， Wu Y.， Ye Q.， Xu H.， Deng H.， Shen L.， Feng X.， Long Y.，，2019，（51）， 47992—48001

［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

［47］ Liu W.， Sun S.， Xu S.， Zhang H.， Zheng Y.， Wei Z.， Zhu X.，，2022，（18）， 2200337

［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

A

10.7503/cjcu20230365

2023-08-10

網(wǎng)絡首發(fā)日期： 2023-08-28.

聯(lián)系人簡介: 朱曉張, 男, 博士, 研究員, 主要從事有機光電功能材料方面的研究. E?mail: xzzhu@iccas.ac.cn

國家自然科學基金（批準號： 52225305, 22175187, U2032112, 21905163）和中國科學院國際伙伴計劃項目（批準號：027GJHZ2022036GC）資助 .

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）