实验室段春晖教授团队：可宏量制备的高性能有机光伏给体材料

有机太阳能电池（OSCs）因其轻质、柔韧、可溶液加工和半透明等独特的优点引起了人们广泛的关注，尤其是独特的半透明特性使其在光伏建筑一体化、智能车窗和农业光伏等领域展现出广阔的应用前景，是推动有机光伏商业应用化的发展方向。然而，现有高性能光伏聚合物给体材料合成复杂、产率低且周期长，难以放大合成，严重制约了OSCs的竞争力。此外，这类材料在可见光区存在强吸收，严重制约了半透明器件效率与可见光透过率之间的平衡。因此，开发兼具高光电转换效率、易于放大合成且高透过率的新型聚合物给体，是推动OSCs从实验室走向实际应用的关键。近日，本实验室段春晖教授团队在可宏量制备的高性能给体材料方面取得重要进展。

作者设计了一个原创的聚合物给体PPT-3，其共轭骨架仅由苯环和噻吩组成，化学结构十分简单。同时，作者采用绿色环保的碳氢直接芳基化聚合（DArP）方法，将材料合成批量从毫克级提升至20克级。基于该聚合物（PPT-3）的OSCs实现了超过18%的PCE，且具有十分优异的批次重复性和受体兼容性。空气刮涂制备的120 cm2半透明模组实现了6.69%的能量转化效率（PCE），40%的可见光透过率（AVT），从而取得了创纪录的光利用率（LUE = 2.70%）。该研究为高性能光伏聚合物给体材料的分子结构设计提供了极具价值的理论参考与实践指导，为有机光伏研究领域迈出了材料放大合成的关键一步。

图1. 可放大合成的光伏聚合物及其大面积半透明器件

以苯和噻吩等最简单的单环结构为构建单元，作者构建了基于聚（苯-噻吩）骨架的聚合物给体，并通过非共价相互作用诱导聚合物分子骨架平面化，提高聚合物的迁移率和结晶性能。进一步，采用直接芳基化聚合实现了PPT-3的百倍放大合成，将材料的制备量级从毫克级提升至20克级，合成总收率超过80%，是传统高性能光伏聚合物给体材料（如PM6、D18等）的近100倍。同时，基于PPT-3的有机光伏器件实现了超过18%的PCE，并展现出优异的批次间重复性；空气刮涂制备的120cm2半透明模组实现了6.69%的PCE，40%的AVT和创纪录的光利用率（LUE = 2.70%）。值得注意的是，PPT-3的材料合成成本仅为6.1USD g-1，是D18（67.3USD g-1）的十分之一，也低于经典共轭聚合物P3HT（6.9USD g-1）。进一步的分析表明，高性能低成本聚合物给体材料放大合成的实现，有效突破了制约OSCs发展的关键瓶颈。PPT-3在成本与性能间取得了极致平衡，使其成为推动OSCs从实验室研究走向商业化应用的一个极具潜力的材料。

相关研究成果以“ScalablePolymer for Large-area Semitransparent Organic Photovoltaics”为题发表在Joule上。该工作由华南理工大学发光材料与器件全国重点实验室的段春晖教授团队主导完成，西湖大学柳佃义教授团队负责了大面积半透明模组的制备，上海大学徐韬教授团队负责了半透明器件的光学模拟。段春晖教授和柳佃义教授为论文的通讯作者，华南理工大学博士生谢东生与博士后吴宝奇、西湖大学博士后吴琼为论文的第一作者。研究工作得到了国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究基金、中央高校基本科研业务费、中国博士后科学基金等科研项目的资助。

 原文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S254243512500354X

https://doi.org/10.1016/j.joule.2025.102173