半透明有机太阳能电池（
ST-OSCs
）由于具有能够建造出具有舒适外观的彩色半透明窗户、实现建筑一体化的前景，被认为是生产清洁能源的有效解决方案。
原则上，
为了实现高的光利用率的目的，半透明有机太阳电池需要尽可能地吸收近紫外（
NUV
）和近红外（
NIR
）区域的光子，同时允许可见光的透过。
一种理想的活性层选择是将
NUV
的聚合物给体和
NIR
的小分子受体结合，在保证高效的光吸收的同时，实现高的透过率。高性能的超宽带隙聚合物能在满足吸收区间处于
NUV
区域的同时，还应该保证具有匹配的能级结构、良好的迁移率、能够形成合适的形貌。目前，针对超宽带隙聚合物给体的研究相对匮乏，缺乏明确的设计指导以及案例。针对超宽带隙聚合物给体进行不断地研究和探索有助于实现高性能的半透明有机太阳电池，推动半透明有机光伏的发展。
近日，
华南理工大学段春晖教授课题组
在
Advanced Functional Materials
上发表了题为“
A 2.20 eV Bandgap Polymer Donor for Efficient Colorful Semitransparent Organic Solar Cells
”的论文。针对超宽带隙聚合物设计缺乏具体的思路的情况，该课题组首次提出了设计用于高效
ST-OSCs
的超宽带隙聚合物
的几个关键：（
1
）构筑给体
-
给体（
D-
D
）型聚合物骨架以抑制
ICT
效应；（
2
）抑制聚合物的共振醌式效应；（
3
）利用非共价相互作用减小聚合物骨架扭转（图
1
所示）。
根据上述原理，他们设计并报道了一种光学带隙约为
2.2 eV
的聚合物给体
PBOF
，其关键单体的特性和聚合物结构如图
1
c
和
d
所示
。聚合物
PBOF
的吸收光谱与人眼响应光谱的重叠程度
大幅度
降低，在可见光区域具有较高的透过率。
同时，该材料还具有良好的聚集能力，合适的能级结构以及相对平面的聚合物骨架，符合高性能聚合物给体的基本特征，这些性质也为制备高性能的有机太阳电池器件提供了支持（图
2
）。
图
1
.
（
a
）太阳辐射光谱和不同带隙材料的吸收光谱
;
（
b
）共轭聚合物中给体和受体单元的轨道杂化示意图;（
c
）超宽带隙聚合物给体的设计原则和
PBOF
关键单体的基本特性
;
（
d
）
PBOF
的合成路线。
图
2
.
（
a
，
b
）聚合物的吸收谱图和聚集特性；（
c
）材料电化学能级图；（
d
）聚合物的构象。
通过器件的优化，基于超宽带隙聚合物给体
PBOF
的不透明
器件可以实现
16.40%
的
PCE
（图
3a
）。从不透明器件的
EQE
谱图可以看到，可见光区域出现一个较大的窗口，且该窗口与人眼响应区间基本一致，这意味着更多的光子可以顺利地穿过半透明器件，从而提供一个高的透过率（图
3c
）。此外，
PBOF
还具有较好的批次重复性（图
3c
），有利于大规模的制备。
图
3.
（
a
）基于
PBOF
的有机太阳电池的
J−V
曲线和（
b
）
EQE
光谱；（
c
）基于不同分子量
PBOF
的器件效率变化；（
d
）载流子迁移率。
基于
PBOF
的
ST
-OSCs
的
J
−
V
曲线如图
4a
所示，半透明器件参数如表
1
所示。最优的半透明器件可以
获得
10.01%
的
PCE
和
30.53%
的
AVT
，相应的光利用率（
LUE
）为
3
.05
（
图
4b
、
c
和
d
）。由于
ST-OSCs
在可见光区域
内
存在两个透过率窗口，分别位于
400−470 nm
（
紫色至蓝色光
）
和
550−650 nm
（
黄光至红光
）（
图
4
c
）
，
他们通过调节活性层中
给体
/
受体
质量比
调控这两个窗口
的相对
透过
强度，实现了具有
视觉美感
的
彩色半透明有机太阳电池（如图
4
e
和
f
）。
图
4
.
基于
PBOF
的不同
D/A
比
ST-OSCs
的（
a
）
J−V
曲线
；
（
b
）
EQE
谱；（
c
）透过谱；（
d
）
QUE
谱图；（
e
）
CIE 1931
色坐标；（
f
）彩色窗户。
总之，
该研究
为
ST
-OSCs
开辟了一种新的研究方向，证明
了
超宽带隙聚合物给体在半透明有机太阳电池研究中的价值
，为
半透明有机
光伏材料与器件的
研究和
开发提供了新思路。
相关研究工作目前以“
A 2.20 eV Bandgap Polymer Donor for Efficient Colorful Semitransparent Organic Solar Cells
”
为题目发表在《
Advanced Functional Materials
》上
。华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室作为第一完成单位，研究生
谢东生
、
张月
、
袁熙越
为文章共同第一作者，华南理工大学
段春晖
教授为通讯作者
。感谢国家重点研发项目（
2019YFA0705900
）、国家自然科学基金（
21875072, 22275058
，和
U20A6002
）、广东省引进创新创业团队计划（
2019ZT08L075
）的资助。
原文链接
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202212601
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