适用于大面积半透明有机光伏的可扩展聚合物

《Joule》：Scalable polymer for large-area semitransparent organic photovoltaics

有机太阳能电池（OSCs）功率转换效率（PCE）已突破20%，但其产业化面临规模化生产与成本挑战。本研究通过无锡直接偶联聚合（DArP）路线规模化制备新型宽带隙聚合物PPT-3，实现从毫克到20克的生产放大，保持高合成质量。基于PPT-3的器件在 opaque体系中PCE超18%，且批次间重复性优异；半透明模块（120cm2）实现PCE 6.69%、可见光透射率40.30%，创当时最高水平。该研究验证了DArP法在低成本、环保聚合物合成中的可行性，为OSCs产业化提供新路径。

　　有机太阳能电池（Organic Solar Cells, OSCs）作为一种可持续的能源解决方案，近年来取得了显著的进展。其光电转换效率（Power Conversion Efficiency, PCE）已突破20%，展现出巨大的应用潜力。然而，尽管在实验室环境中表现优异，OSC技术向市场推广仍面临诸多挑战。这一问题主要源于材料合成的复杂性、生产成本的高昂以及大规模制造技术的不足。因此，如何开发出既具备高光电性能，又具备低成本、易合成、可大规模生产的有机光伏材料，成为推动OSC商业化进程的关键。

本研究提出了一种系统性的分子工程策略，旨在开发适用于半透明太阳能窗的高效聚合物供体材料。以PPT-3为例，该材料通过简单且高效的合成路径实现，显著降低了生产成本并提高了材料的可制造性。研究团队采用单环芳香结构作为基础单元，构建出具有优良电子传输特性的聚（苯并噻吩）骨架。这种设计不仅简化了合成过程，还确保了材料在不同规模下的批次一致性。通过Stille聚合和直接芳基化聚合（Direct-Arylation Polymerization, DArP）两种方法，PPT-3的合成规模从毫克级成功扩展至20克级，展现了其在工业生产中的可行性。

在性能方面，基于PPT-3的不透明OSC实现了超过18%的PCE，且在多个合成批次中表现出优异的重复性。这一结果表明，PPT-3不仅具备优良的光电性能，还能够满足实际生产中对材料稳定性的要求。此外，研究团队还开发了半透明模块，其活性面积达到120平方厘米，实现了6.69%的PCE和40.30%的平均可见光透射率（Average Visible Transmittance, AVT）。这一性能水平在当前半透明OSC领域中处于领先地位，展示了PPT-3在实际应用中的巨大潜力。

半透明OSC的应用场景广泛，包括建筑一体化光伏（Building-Integrated Photovoltaics, BIPV）、汽车玻璃和农业光伏（Agrivoltaics）。这些应用场景要求材料在实现光电转换的同时，具备良好的可见光透射性。然而，传统用于不透明OSC的聚合物供体，如PM6和D18，通常具有较强的可见光吸收能力，这在一定程度上限制了半透明设备的性能。因此，开发具有宽光谱吸收特性的聚合物供体，成为解决这一问题的关键。

本研究提出的PPT-3聚合物供体，不仅具有宽光谱吸收能力，还能够实现高效的电荷传输。其独特的分子结构使得供体在可见光区域的吸收较弱，从而在保证光电转换效率的同时，提高了可见光透射率。这一特性对于半透明设备尤为重要，因为其需要在可见光范围内保持较高的透射性，以满足建筑和交通领域的特殊需求。此外，PPT-3的分子设计还使得其在近红外区域具有较强的吸收能力，这有助于提高光能的利用效率，进一步提升整体性能。

在材料合成方面，PPT-3采用了一种无锡的直接芳基化聚合方法，避免了传统锡试剂带来的健康和环境风险。这种方法不仅简化了合成步骤，还提高了生产效率，使得材料能够以较低的成本进行大规模制造。同时，PPT-3的合成过程更加环保，符合当前可持续发展的趋势。此外，该材料的合成路径还具有较高的可重复性，能够在不同批次中保持一致的性能，这对于工业化生产至关重要。

从经济角度来看，聚合物供体是OSC生产成本的主要组成部分，通常占总材料成本的50%以上。因此，开发成本较低、合成步骤较少的聚合物供体，对于降低整体生产成本具有重要意义。PPT-3的合成路径显著减少了生产步骤和所需试剂的数量，从而降低了生产成本。此外，该材料的生产效率较高，能够在较短时间内完成大规模合成，这对于提高生产效率和降低成本具有积极作用。

在实际应用中，PPT-3不仅适用于不透明OSC，还能够用于半透明设备。其在可见光区域的低吸收能力，使得半透明设备能够在保持较高透射率的同时，实现良好的光电转换效率。这一特性使得PPT-3在建筑一体化光伏、汽车玻璃和农业光伏等应用领域具有广阔的前景。此外，PPT-3的宽光谱吸收能力，使得其在近红外区域具有较强的吸收能力，有助于提高光能的利用效率，进一步提升整体性能。

本研究还通过理论模拟和实验验证，进一步优化了PPT-3的分子结构和性能。理论模拟结果显示，PPT-3的分子设计能够有效提高电荷传输效率，同时降低光能的损失。实验验证则表明，PPT-3在不同合成批次中表现出优异的性能一致性，能够在大规模生产中保持稳定的光电性能。此外，PPT-3的分子结构还能够与近红外电子受体形成良好的匹配，从而提高整体的光能利用效率。

在工业化生产方面，PPT-3的合成路径不仅适用于实验室环境，还能够满足大规模生产的需求。通过Stille聚合和DArP方法，PPT-3的合成规模从毫克级扩展至20克级，展现出良好的可扩展性。这一结果表明，PPT-3不仅具备优良的光电性能，还能够实现高效的工业生产。此外，PPT-3的合成过程更加环保，避免了传统锡试剂带来的健康和环境风险，符合当前可持续发展的趋势。

综上所述，本研究通过系统性的分子工程策略，开发出了一种高效、低成本、易合成的聚合物供体材料PPT-3。该材料不仅在不透明OSC中表现出优异的光电性能，还能够用于半透明设备，实现良好的可见光透射率和光能利用效率。此外，PPT-3的合成路径更加环保，避免了传统锡试剂带来的健康和环境风险，符合当前可持续发展的趋势。本研究为推动OSC技术从实验室研究向实际应用的转变提供了新的思路和方法，同时也为实现低成本、高效率的有机光伏材料开发奠定了基础。