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这篇综述聚焦有机光伏（OPV）领域，当前先进 OPV 电池材料成本过高阻碍工业化。文中先总结高性能 OPV 材料分子设计关键因素，接着探讨低成本材料分子设计的进展与挑战，最后展望未来低成本 OPV 材料分子设计，值得关注。
一、引言
有机光伏（OPV）技术凭借其独特优势，如可溶液加工、质轻、柔性好等，在可再生能源领域备受瞩目。然而，现阶段先进 OPV 电池的材料成本过高，成为其工业化发展的巨大阻碍。开发低成本且高性能的 OPV 材料，已成为该领域的关键研究方向。在剖析现有高性能 OPV 材料时，其实现高光伏性能所需的光电和形态学性能等关键要素已较为明晰，但低成本材料由于构建单元更为简单、化学取代位点较少，要同时获得理想的光电和形态学性能面临诸多挑战。
二、高性能 OPV 材料分子设计的关键因素
- 光电性能相关因素
- 能级匹配：在 OPV 体系中，聚合物电子供体和小分子电子受体的能级匹配至关重要。供体的最高占据分子轨道（HOMO）与受体的最低未占据分子轨道（LUMO）之间需保持合适的能级差，以促进电荷转移。合适的能级差既能保证电荷有效注入，又能减少能量损失，从而提高光伏器件的开路电压（Voc） 。例如，当供体 HOMO 能级为 -5.2 eV，受体 LUMO 能级为 -3.8 eV 时，二者能级差约为 1.4 eV，在部分体系中可实现较高的Voc 。
- 光吸收能力：材料的光吸收范围和强度直接影响其对太阳光的利用效率。具有宽吸收光谱和高摩尔消光系数的材料，能更充分地吸收光子，产生更多的激子。比如，某些共轭聚合物在 300 - 800 nm 波长范围内有较强吸收，且摩尔消光系数可达105Lmol?1cm?1，有效提高了光捕获效率。
- 形态学性能相关因素
- 相分离结构：OPV 活性层中供体和受体形成的相分离结构对电荷传输和收集起着关键作用。理想的相分离结构应具备纳米尺度的相畴尺寸，既能保证激子在短距离内扩散至供受体界面进行电荷分离，又能形成连续的电荷传输通道，促进电荷的高效传输和收集。若相畴尺寸过大，激子扩散距离过长，易发生复合；相畴尺寸过小，则不利于电荷传输。
- 结晶性：材料的结晶性影响分子间的堆积方式和电荷迁移率。适度的结晶性有助于形成有序的分子排列，提高电荷迁移率。以某些小分子受体为例，其结晶性良好，分子间紧密堆积，电荷迁移率可达10?3cm2V?1s?1 ，有利于提高器件的短路电流密度（Jsc） 。
三、低成本 OPV 材料分子设计的研究进展
- 基于简单构建单元的材料设计科研人员尝试使用结构简单的构建单元来设计低成本 OPV 材料。例如，以苯环、噻吩等常见芳香环为基本单元，通过改变连接方式和取代基，构建新型聚合物供体或小分子受体。部分基于苯环 - 噻吩交替结构的聚合物供体，合成路线相对简单，成本较低，且在一定程度上实现了较好的光电性能，其Voc可达 0.9 V 左右。
- 减少化学取代位点的策略减少化学取代位点可降低材料合成成本。研究发现，在小分子受体中，适当减少取代基数量，虽会对分子的溶解性和电子云分布产生一定影响，但通过合理的分子结构优化，仍能保持较好的光伏性能。如某小分子受体去除一个取代基后，其Jsc仅下降约 10%，但合成成本显著降低。
四、低成本 OPV 材料分子设计面临的挑战
- 光电性能与成本的平衡难题在追求低成本的过程中，往往难以同时维持材料优异的光电性能。简单的构建单元和较少的取代位点可能导致材料的光吸收能力、能级匹配不理想，进而降低Voc和Jsc 。例如，某些低成本材料由于光吸收范围窄，无法充分利用太阳光，致使器件的光电转换效率（PCE）较低，难以满足实际应用需求。
- 形态学性能调控困难低成本材料在形态学性能调控方面存在较大挑战。简单的分子结构可能难以形成理想的相分离结构和结晶性。如部分基于简单结构的聚合物供体，在与受体共混时，相分离结构不稳定，相畴尺寸难以控制在纳米尺度，严重影响电荷传输和收集效率，导致器件性能下降。
五、未来低成本 OPV 材料分子设计的关键思路
- 提高效率的设计思路
- 分子结构优化：进一步优化分子结构，在保证低成本的前提下，通过引入特定的官能团或改变分子骨架，改善材料的光电性能。例如，设计含有推拉电子结构的分子，增强分子内电荷转移，拓宽光吸收光谱，提高光捕获效率，有望提升Jsc 。
- 多组分体系构建：构建多组分的 OPV 体系，将不同性能的材料组合在一起，实现优势互补。如将具有不同光吸收范围的供体和受体组合，可拓宽整个体系的光吸收范围，提高对太阳光的利用效率，进而提高 PCE 。
- 提升稳定性的设计思路
- 引入稳定基团：在分子结构中引入具有良好化学稳定性的基团，增强材料对环境因素（如氧气、水分、光照）的抵抗能力。例如，引入氟原子取代基，可提高材料的抗氧化性和耐光性，延长器件的使用寿命。
- 优化界面工程：通过优化活性层与电极之间的界面，减少界面处的电荷复合，提高器件的稳定性。如在活性层与电极之间引入缓冲层，改善界面接触，降低界面电阻，提升器件的稳定性和性能。
六、结语
低成本有机光伏材料的分子设计是一个充满挑战但极具潜力的研究领域。目前虽已取得一定进展，但在平衡光电性能与成本、调控形态学性能等方面仍面临诸多困难。未来，通过不断优化分子结构、探索多组分体系、引入稳定基团和优化界面工程等策略，有望实现低成本、高性能且稳定的有机光伏材料的开发，推动有机光伏技术走向工业化应用，为可再生能源领域的发展注入新动力。
