论文概览
尽管有机太阳能电池（OSCs）实验室效率已突破20%，但其产业化仍面临材料难以规模化合成和应用场景不明确两大挑战。华南理工大学段春晖团队联合西湖大学、上海大学等多单位，提出了一种面向“太阳能窗”应用的可规模化聚合物给体PPT-3。该研究通过简化分子设计（单环芳香单元）与无锡直接芳基化聚合（DArP）路线，首次实现了高性能聚合物给体从毫克级到20克级的规模化合成，且合成成本与经典廉价聚合物P3HT相当。基于PPT-3的不透明OSCs实现了超过18%的光电转换效率（PCE），并展现出优异的批次重现性。更引人注目的是，在环境条件下采用刮涂法制备的120 cm²大面积半透明组件，实现了6.69%的认证效率与40.30%的平均可见光透过率（AVT），光利用效率（LUE）达2.70%，创下当前纪录。该研究以"Scalable polymer for large-area semitransparent organic photovoltaics"为题发表于顶级期刊Joule上。
技术亮点
1. 可规模化合成：采用无锡DArP法，成功将PPT-3合成规模从毫克放大至20克，产量>80%，材料成本仅6.1 USD/g。
2. 高效半透明器件：通过光学耦合层与减反射涂层优化，半透明器件AVT从27.66%提升至41.76%，LUE达5.04%。
3. 优异重现性：多个Stille批次（0.2–5.0 g）与DArP批次（0.2–20.0 g）均保持PCE在17.20%–18.13%，展现卓越的工艺兼容性。
4.宽受体兼容性：PPT-3与Y6、eC9、N3等多种受体搭配均能实现接近17%的效率，具备强泛用性。
研究意义
✅打破“高效率必高成本”魔咒：PPT-3在保持>18%效率的同时，合成复杂度（SC=10.67%）与P3HT相当，性能-成本优值（FOM=1.69）领先。✅开辟“光伏窗”商业化路径：首次实现120 cm²半透明组件的效率与透光率双高，为建筑光伏一体化提供可行方案。✅推动绿色合成工艺：采用无锡DArP路线，避免有毒锡试剂，契合可持续生产要求。✅打通“实验室-工厂”通路：从分子设计、规模化合成到大面积器件制备，形成完整技术闭环，加速OSCs产业化进程。
深度精读
聚合物设计与合成路径：
研究团队以苯与噻吩单元构建聚（苯-交替-噻吩）骨架，引入氟原子与烷氧基链，通过F…S、S…O等非共价相互作用增强主链平面性与结晶性。PPT-3可通过Stille交叉耦合与DArP两种方法合成（图1B）。后者不仅避免了神经毒性有机锡试剂的使用，还将总产率从74.5%提升至82.8%，材料成本降低约40%。飞行时间二次离子质谱与核磁共振分析证实，两种方法所得聚合物结构一致，分子量（M~n~ ≈ 50–70 kg mol⁻¹）与吸收行为高度吻合（图1C-E）。PPT-3薄膜在550 nm处吸收边对应光学带隙为2.26 eV，其与受体L8-BO共混薄膜在可见光区透光率达54.69%，极适合半透明器件。
光伏性能与形貌调控：
采用PPT-3:L8-BO:[70]PCBM三元体系，器件效率提升至18.13%（V~oc~ = 0.91 V，J~sc~ = 24.58 mA cm⁻²，FF = 79.71%），为单环芳香聚合物迄今最高值（图2A-C，表2）。EQE谱显示PPT-3在400–550 nm有强响应，而500–630 nm“窗口区”与肉眼光视响应曲线重合，是其适用于半透明器件的关键（图2B）。引入[70]PCBM后，空穴与电子迁移率同步提升，激子解离效率从97.0%增至98.3%，陷阱辅助复合亦被抑制（图S49-S52）。AFM与GIWAXS显示，PPT-3本征薄膜具有清晰纳米纤维网络（纤维宽度≈19.6 nm），三元共混后纤维宽度略降至18.2 nm，π-π堆叠距离从3.57 Å微缩至3.56 Å，有利于电荷传输（图2D-G）。
批次重现性与受体兼容性：
系统评估了不同合成批次PPT-3的光伏性能（图3A-D）。Stille法（0.2–5.0 g）与DArP法（0.2–20.0 g）所制备器件PCE均稳定在17.20%–18.13%之间，关键参数（V~oc~, J~sc~, FF）波动极小，展现出优异的规模化重现性。DArP法制备的PPT-3更实现了18.03%的效率，为DArP源聚合物中最高值。此外，PPT-3与Y6、eC9、N3等多种受体搭配均能实现接近17%的效率（图3E-F），显示出强大的材料平台兼容性。
半透明器件与组件集成：
研究团队进一步构建了半透明OSCs（图4A）。通过高通量光学筛选，确定ZnS（10 nm）/LiF（50 nm）双层光学耦合层为最优结构，可将AVT从27.66%显著提升至41.04%，LUE达4.72%（图4B-E，表3）。结合底层MgF₂减反射涂层，最优半透明器件实现PCE=12.07%，AVT=41.76%，LUE=5.04%。在此基础上，采用刮涂工艺在环境条件下制备了120 cm²大面积半透明组件（22个子电池串联），最终获得PCE=6.69%，AVT=40.30%，LUE=2.70% 的卓越性能（图4H-K），为迄今报道的最高性能半透明OSC模块之一，并成功点亮LED灯，展示了其作为“发电窗”的实际应用潜力（图S68）。
经济性分析与产业化前景
通过对合成复杂度、性能-成本优值、规模化因子及材料仅成本等多项指标的综合评估（图5A-F），PPT-3展现出前所未有的经济优势：其SC值（10.67%）与P3HT相当，MOC（6.1 USD/g）仅为D18的十分之一，且FOM（1.69）远高于绝大多数高性能聚合物。成本结构分析表明，在PPT-3体系中，活性层材料成本占比降至36%（其中给体仅占9%），而D18与PM6体系中该比例高达65%与57%。为实现0.25 USD/Wₚ的目标可持续价格，PPT-3基组件效率仅需15.4%，显著低于D18（19.0%）与PM6（20.8%）的要求，显示出更强的商业化可行性。
结论展望
本研究通过理性分子设计与绿色合成路径，成功开发出可规模化聚合物给体PPT-3，实现了>18%的高效有机太阳能电池与120 cm²、AVT>40%、PCE=6.69%的半透明组件，首次在材料合成、器件性能与制造成本之间实现了高效平衡。该工作不仅为OSCs提供了首个兼具高性能、低成本和规模化合成潜力的聚合物给体材料平台，更通过大面积半透明组件的成功演示，为有机光伏在建筑一体化、车载玻璃、农业光伏等特定应用场景的商业化落地奠定了坚实基⽯。
文献来源
Xie et al., Scalable polymer for large-area semitransparent organic photovoltaics, Joule (2025).
https://doi.org/10.1016/j.joule.2025.102173
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索比光伏网 https://news.solarbe.com/202511/06/50011973.html
