使纠缠双受体相的激发态非定域化，有助于提升供体-稀溶液型半透明有机太阳能电池的性能

《Journal of Energy Chemistry》：Delocalizing excited states of entangled dual-acceptor phases consolidates donor-dilute semitransparent organic solar cells

有机半导体近红外吸收特性使其成为半透明光伏器件理想材料，但高效率与高透光率平衡仍是挑战。本研究通过引入聚合物受体PYIT形成双受体体系，优化PM6(L8-BO)基体，实现激子高效解离与寿命延长，结合低带隙PTB7-Th donor和2PACz HTL，以及TeO?抗反射层，最终获得5.63%的LUE，为可持续建筑光伏系统提供实用方案。

　　有机半导体因其独特的光学带宽特性，能够实现与硅基和卤化铅基钙钛矿材料相比的近红外吸收选择性，因此在构建半透明光伏器件方面备受青睐。然而，在半透明有机光伏电池（ST-OSCs）中，实现高功率转换效率（PCE）的同时保持良好的可见光透射率一直是一个重大挑战。传统方法通常依赖于引入光学耦合层来优化透明度与效率之间的平衡，但这种方法往往面临复杂的工艺问题。相较之下，采用“供体稀释”策略提供了一种更为简便的途径，能够有效调节透明度与效率，但同时也带来了激子分裂和空穴传输等关键问题。

为了克服这些挑战，本研究提出了一种创新性的策略，即将一种新型聚合物受体PYIT引入到最优的PM6（30 wt%）:L8-BO混合体系中，形成纠缠的双受体相，并将激发态进行离域化处理。这一方法不仅促进了激子的解离，还延长了激子在受体相中的寿命，从而减少了对供体/受体界面依赖的电荷分离需求。通过进一步引入具有更低带隙的PTB7-Th供体层和更高效的空穴选择层[2-(9H-咔唑-9-基)乙基]磷酸酸（2PACz），同时添加TeO?作为抗反射层以提升器件的透明度，最终实现了高达5.63%的综合光利用效率（LUE）。这一成果表明，通过合理设计材料体系，可以有效解决ST-OSCs中长期存在的效率与透明度之间的矛盾。

有机光伏电池之所以成为一种备受关注的清洁能源技术，主要得益于其独特的分子结构、可调性、溶液加工工艺以及大面积卷对卷制造能力。相较于传统的全小分子受体体系，非富勒烯受体有机光伏电池（NF-OSCs）近年来取得了显著进展，其功率转换效率已突破20%，展现出与硅基和卤化铅基光伏电池相媲美的竞争力。然而，有机光电活性半导体的光学吸收和光致发光带宽相对狭窄，这使得它们在可见光（300-700 nm）和近红外（NIR，600-1000 nm）波段的吸收特性具有高度可调性。通过分子结构的优化设计，这些材料能够实现向近红外波段的红移，从而在半透明光伏器件中发挥重要作用。

半透明有机光伏电池的一个显著优势是其能够在保持高功率转换效率的同时实现极高的可见光透射率。这种特性使得ST-OSCs不仅能够用于建筑一体化光伏系统，还适用于汽车玻璃、农业光伏等场景。然而，实现高可见光透射率与高功率转换效率的平衡并非易事。通常，ST-OSCs的功率转换效率随着可见光透射率的降低而增加，因此引入“光利用效率”（LUE = PCE × AVT）这一概念来评估两者之间的平衡关系。目前，最佳性能的ST-OSCs已经实现了超过6%的LUE，但进一步提升这一指标仍然是研究的重点。

在ST-OSCs的制备过程中，透明电极不仅是一个必要的组成部分，更是整个器件设计中的关键因素。透明电极需要在光吸收、电导率和光学透明度之间找到最佳的平衡，以实现ST-OSCs的最佳性能。例如，Li等人设计了一种薄而高导电的2% Cu/Ag合金电极，并结合光学出耦（OOC）和抗反射涂层（ARC），从而显著提升了LUE。Deng等人则开发了一种优化的ARC，由Na?AlF?（160 nm）和ZnSe（190 nm）双层结构组成，以增强可见光波段（400-600 nm）的透射率，并增强近红外波段（780-2500 nm）的反射强度。然而，构建光学出耦和抗反射涂层仍然面临一系列复杂的工艺挑战。

除了优化电极设计，另一个重要的研究方向是调节活性层在可见光波段的吸收特性。在基准NF-OSCs中，供体和受体的吸收带分别集中在可见光和近红外波段。因此，供体稀释成为一种直接且有效的方法，用于制备高性能的ST-OSCs。然而，降低供体在活性层中的含量虽然可以提升可见光透射率，但也带来了诸多挑战。首先，可见光波段的光子利用减少会导致短路电流密度（JSC）的下降；其次，供体相的不连续性会阻碍空穴的传输；第三，供体/受体（D/A）界面的减少可能会影响激子的解离效率。因此，如何在提升透明度的同时维持较高的JSC和良好的电荷传输是当前研究的核心问题。

为了解决这些挑战，当前研究倾向于引入第三种组分以增强JSC。例如，Chen等人在PBDB-TF:L8-BO混合体系中引入了一种小分子受体BTP-eC9，使得活性层的吸收光谱向近红外波段扩展，从而实现了JSC的5%提升。此外，为了克服供体相不连续导致的空穴传输问题，研究者们采用了层状伪平面异质结结构和分子掺杂策略，以确保一定的相纯度。然而，这些方法在提升相纯度的同时，也可能导致D/A界面的减少，从而使得非富勒烯受体（NFA）产生的激子在受体相中提前发生复合，而不是迁移到界面进行解离。因此，如何有效解决这一问题成为研究的关键。

为了解决这一问题，本研究以PM6:L8-BO混合体系为模型，引入聚合物受体PYIT作为第三组分，通过利用PYIT与L8-BO之间的能级差异，促进激子在受体相中的解离，从而减少对D/A界面的依赖。值得注意的是，由于PYIT具有较低的结合能（Eb），其引入能够降低L8-BO体系的结合能，从而有助于在受体相中实现激子的解离，提高激子解离效率。此外，PYIT能够与L8-BO形成纠缠的双受体相，从而增强激子的分子间离域化，延长激子寿命，增加其解离的可能性。因此，基于PM6:L8-BO:PYIT的三元供体稀释ST-OSCs实现了高达13.49%的PCE，同时JSC（22.47 mA cm?2）和填充因子（FF = 0.70）也有所提升，而开路电压（VOC）基本保持不变。

进一步引入2PACz作为空穴传输层（HTL），使得器件的LUE达到了4.07%。这一成果表明，通过合理的材料设计和工艺优化，可以实现ST-OSCs的高效率与高透明度的协同提升。此外，通过引入TeO?作为抗反射涂层（ARC）以及将PM6替换为PTB7-Th以实现更窄的光学带宽，使得可见光透射率（AVT）和光利用效率（LUE）分别提升至54.27%和5.63%。这些结果不仅验证了本研究的创新性，也为未来半透明光伏器件的广泛应用提供了新的思路。

本研究的材料包括PM6、PYIT和L8-BO，均由Derthon Optoelectronics Materials Science Technology Co., Ltd.（中国）提供。N-DMBI则由Sigma-Aldrich公司提供，所有材料均未经过进一步纯化直接使用。在薄膜形貌分析中，样品采用AFM技术在Si基底上进行表征，按照与器件活性层沉积相同的工艺流程制备。通过调节PYIT在PM6:L8-BO混合体系中的比例，研究者们能够观察到薄膜结构的变化，从而评估其对激子解离和电荷传输的影响。

本研究揭示了供体稀释ST-OSCs中激子解离效率低下的问题。通过引入PYIT作为第三组分，不仅能够增强受体相的结构稳定性，还能通过形成双受体相，促进激子的离域化，延长其寿命，从而提高激子解离效率。同时，PYIT的引入还能减少L8-BO的过度聚集，提高相纯度，增强电荷载流子的迁移能力。这些结果表明，通过合理设计材料体系，可以有效解决ST-OSCs中长期存在的效率与透明度之间的矛盾。

在本研究的结论部分，我们指出，通过引入聚合物受体PYIT到供体稀释的PM6:L8-BO混合体系中，能够有效解决ST-OSCs中激子解离效率低和严重电荷复合的问题。通过形貌和光谱分析，我们发现PYIT的引入不仅提高了受体相的结构稳定性，还通过形成双受体相，促进了激子的离域化，延长了其寿命，从而增加了其解离的可能性。此外，PYIT的引入还能减少L8-BO的过度聚集，提高相纯度，增强电荷载流子的迁移能力。因此，基于PM6:L8-BO:PYIT的三元供体稀释ST-OSCs实现了高效率和高透明度的协同提升。

本研究的成果不仅展示了材料设计的创新性，也为未来半透明光伏器件的开发提供了新的思路。通过优化材料体系，可以实现更高的功率转换效率和更宽的可见光透射率，从而满足不同应用场景的需求。此外，本研究还强调了环境友好性、工艺可扩展性和广泛应用性的特点，使得半透明光伏器件在实际应用中更具可行性。通过引入新型材料和优化工艺，ST-OSCs有望成为未来可持续能源系统的重要组成部分。

本研究的作者们分别对研究的不同方面做出了贡献。Xiaoxiao Zhang负责概念设计、实验分析和论文撰写与修改；Zhiyuan Wu和Jiaqi Xie负责实验分析和论文修改；Weihua Lin负责实验分析；Kaibo Zheng负责监督、论文撰写与修改；Ziqi Liang负责概念设计、实验分析、监督和论文撰写与修改。研究团队在材料设计、工艺优化和性能评估等方面进行了深入探讨，为ST-OSCs的发展提供了坚实的基础。

本研究的作者们声明，他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本研究的成果。研究团队感谢国家自然科学基金（NSFC）的资助（项目编号：22375050）以及上海东方人才计划的支持。Kaibo Zheng还感谢瑞典研究理事会的资助（项目编号：2021-05319）。此外，研究团队感谢上海同步辐射设施（SSRF）的BL03HB束线为GIWAXS实验提供了支持。我们还感谢来自复旦大学分子聚合物工程国家重点实验室的Xiaoyue Hu在荧光方面的支持。

综上所述，本研究通过引入聚合物受体PYIT到供体稀释的PM6:L8-BO混合体系中，有效解决了ST-OSCs中长期存在的效率与透明度之间的矛盾。通过优化材料体系和工艺设计，不仅实现了高功率转换效率和高可见光透射率的协同提升，还为未来半透明光伏器件的广泛应用提供了新的思路。研究团队的工作不仅具有重要的科学意义，也为推动清洁能源技术的发展做出了贡献。