综述：小分子供体-聚合物受体有机光伏电池的研究进展

《Organic Electronics》：Research Progress in Small-Molecule Donor-Polymer Acceptor Organic Photovoltaic Cells

有机太阳能电池（OSCs）因轻便、可溶液处理等特性成为硅基光伏的互补选择，其中SDPA结构因高热稳定性（>85℃）被视为产业化潜力方向，但当前效率（12.1%）仍显著低于主流系统（>20%）。本文系统总结SDPA-OSCs的器件架构与活性层加工策略，重点分析正/倒置器件结构、溶液共涂与逐层沉积工艺对载流子传输及器件性能的影响，提出通过分子互补性调控与界面优化提升效率，并探讨规模化制造与机理研究的关键挑战。

　　有机太阳能电池（Organic Solar Cells, OSCs）作为第三代光伏技术的重要研究方向，因其轻质、柔韧、溶液加工性以及低成本等特性，展现出与硅基光伏技术互补的优势，成为清洁能源领域前沿的研究课题。在众多新型结构中，小分子供体/聚合物受体（Small-Molecule Donor/Polymer Acceptor, SDPA）结构的有机太阳能电池因其独特的活性层稳定性，尤其是其在高温条件下（如85°C以上）仍能维持优化的相分离形貌，被认为是一种有潜力突破有机光伏工业化稳定性瓶颈的技术路径。然而，目前SDPA结构的有机太阳能电池的最高功率转换效率（Power Conversion Efficiency, PCE）仍停留在12.1%，远低于主流的体异质结（Bulk Heterojunction, BHJ）系统（PCE超过20%）。因此，如何进一步提升SDPA结构的有机太阳能电池的效率，成为该领域研究的重点。

为了推动SDPA结构有机太阳能电池的效率提升，科研人员已经投入大量精力在材料优化、器件工程和加工工艺方面进行探索。本文对SDPA结构的有机太阳能电池进行了系统性的回顾，从器件结构和活性层加工两个角度出发，总结了近年来的研究进展。重点探讨了器件结构工程（如传统结构与倒置结构）对电荷传输和器件性能的影响，以及活性层加工策略（如体异质结溶液涂覆和逐层沉积技术）在优化器件性能方面的作用。通过建立稳定的“材料结构-形貌-器件性能”之间的关联，本文为开发高效SDPA结构的有机太阳能电池提供了关键的理论指导和技术参考。此外，文章还讨论了未来在材料创新、形貌控制和规模化制造方面可能的研究方向和挑战，以推动SDPA结构有机光伏技术的进一步发展。

从材料属性来看，有机太阳能电池的性能高度依赖于供体和受体材料在活性层中的特性。根据供体和受体材料的分子性质，有机太阳能电池可以被划分为四大系统：（1）聚合物供体-小分子受体（Polymer Donor-Small Molecule Acceptor, PDSA）系统，其中二元和三元系统已经实现了超过20%的PCE；（2）全聚合物系统，通过聚合物链的缠结增强机械稳定性；（3）全小分子系统，依靠高度结晶的分子堆叠实现高效的电荷传输，其PCE也接近20%；（4）小分子供体-聚合物受体（SDPA）系统，通过分子结构的互补性，实现了形貌稳定性和激子解离效率之间的平衡。值得注意的是，虽然PDSA系统在效率研究中占据主导地位，但SDPA系统在高温条件下展现出的优异形貌稳定性（如相分离抑制）使其在工业化应用方面具有独特的优势。

与PDSA系统相比，SDPA结构的有机太阳能电池的PCE仍相对较低，这主要源于形貌和电子性能方面的挑战。小分子与聚合物在结晶行为上的显著差异常常导致相分离不理想，从而影响激子解离和电荷传输。此外，有限的介电对比度降低了电荷分离的驱动力，而界面能级的不均匀性则促进了非辐射复合（包括内生复合和双分子复合）。聚合物受体带来的更广泛的能级不均匀性进一步增加了电压损失。光谱互补性不足也限制了光电流的产生。因此，优化分子相容性和界面设计成为提升SDPA结构有机太阳能电池性能的关键。

在器件结构方面，传统的体异质结结构仍然是SDPA系统中最常研究的配置。体异质结结构通过将供体和受体材料混合，在活性层中形成纳米尺度的相分离，从而提供足够的界面以分离短寿命的激子。这种结构能够有效解决光吸收深度与电荷传输长度之间的不匹配问题，使得激子能够被高效地解离并传输至电极。然而，尽管体异质结结构在效率方面表现出色，其在高温条件下的稳定性仍面临挑战，特别是在长期使用过程中，相分离可能会发生变化，影响器件的整体性能。

相比之下，逐层沉积（Layer-by-Layer, LBL）技术为SDPA结构的有机太阳能电池提供了更精细的形貌控制。通过依次沉积供体和受体层，LBL技术能够实现垂直相分离，使供体材料集中在阳极附近，受体材料则分布在阴极附近。这种结构优化了电荷传输路径，减少了非辐射复合的发生，从而提高了器件的效率和稳定性。此外，LBL技术还允许通过加工参数（如溶剂种类、旋涂速度和退火处理）独立调节各层的厚度和结晶性，使得器件的性能可以更灵活地进行优化。然而，目前关于LBL结构SDPA-OSCs的研究仍处于初步阶段，需要进一步探索其在实际应用中的潜力。

从器件物理的角度来看，有机太阳能电池通常由阳极、空穴传输层、活性层、电子传输层和阴极组成。其中，活性层在器件中扮演着至关重要的角色，它决定了光吸收、激子生成、扩散和解离，以及电荷传输等关键过程。因此，活性层的形貌优化是提升器件性能的核心。理想的活性层应该提供足够的供体-受体界面以促进激子的高效解离，同时保持连续的电荷传输路径以减少复合损失。对于SDPA结构的有机太阳能电池而言，活性层的制备是实现性能突破的关键环节，通过优化分子取向、相分离形貌和界面特性，有望实现更高的PCE和更长的器件寿命。

然而，SDPA结构的有机太阳能电池在材料设计、加工工艺和机制理解方面仍面临诸多挑战。小分子供体和聚合物受体之间的结构差异使得其在加工过程中需要特别的处理方式，以实现理想的活性层形貌。例如，小分子供体通常具有较高的相变温度和结晶性，这有助于在活性层中形成高度有序的π-π堆叠结构，从而提高电荷传输效率。而聚合物受体，尤其是具有较大分子量的材料，在溶剂蒸发过程中倾向于通过长链缠结形成机械稳定的三维网络结构，这有助于增强器件的机械性能和热稳定性。因此，通过溶剂退火等手段，可以对小分子和聚合物之间的相分离进行精确调控，使小分子渗透到聚合物链的间隙中，形成双连续通道，从而提升激子扩散长度和电荷复合寿命。

在实际应用中，SDPA结构的有机太阳能电池具有独特的潜力，特别是在需要高稳定性的应用场景中，如建筑一体化光伏（Building-Integrated Photovoltaics, BIPV）和空间光伏系统。这些场景对材料的耐高温性和长期稳定性要求极高，而SDPA结构的有机太阳能电池在高温条件下表现出的优异性能使其成为这些领域的理想选择。然而，目前SDPA结构的有机太阳能电池的PCE仍较低，仅达到13.65%，远低于主流的PDSA系统（PCE超过20%）。因此，如何在保持其稳定性优势的同时，进一步提升其效率，成为未来研究的重要目标。

未来的研究方向可能包括以下几个方面：首先，在材料创新方面，需要开发具有更高光谱互补性、更优电荷传输能力和更稳定形貌的小分子供体和聚合物受体材料。这可以通过分子设计、共轭结构优化和材料合成工艺的改进来实现。其次，在形貌控制方面，需要进一步研究和优化加工参数，以实现更理想的相分离结构。例如，通过溶剂退火、热处理和界面修饰等手段，可以更精确地调控供体和受体材料在活性层中的分布，从而提高器件的性能。最后，在规模化制造方面，需要探索适合工业化生产的加工技术，以提高生产效率和降低成本。这可能包括开发新的溶液加工方法、优化卷对卷制造工艺以及改进设备设计，以实现高质量、高效率的SDPA结构有机太阳能电池的大规模生产。

综上所述，SDPA结构的有机太阳能电池在稳定性方面展现出显著优势，这使其在工业化应用中具有独特潜力。然而，其效率仍相对较低，亟需在材料设计、形貌控制和加工工艺等方面进行深入研究。通过系统性的回顾和总结，本文旨在为开发高效、稳定的SDPA结构有机太阳能电池提供理论指导和技术参考，同时探讨未来可能的研究方向和挑战，以推动该领域的进一步发展。