高效率柔性有机太阳能电池研究进展

摘要作为清洁能源领域关键发展走向的有机光伏技术，基于其拥有独特的材料特性及应用上的优势，随即得到研究者们的广泛关注。在众多现有的光伏技术里面，有机太阳能电池（OSCs）具备较多显著的特性，比如较低的成本、较轻的重量、可以调节的透光率以及较强的机械柔韧性，由此体现出庞大的发展潜力。应当重视的是，有机半导体凭借其材料自身出色的柔韧特质，让其制作的OSCs天然拥有柔性化的优势。随着建筑光伏一体化（BIPV）、柔性电子设备这类新兴应用场景的迅猛发展，柔性有机太阳能电池（F-OSCs）的研究实现了突破性进展，本综述会着重围绕F-OSCs的柔性透明电极、活性层材料设计、器件结构与制备工艺优化、性能表征与稳定性研究等核心要点展开，并且着重讨论怎样提升光电转换效率（PCE）、柔韧性以及环境稳定性。关键词：有机太阳能电池、柔性透明电极、机械稳定性、光电转换效率绪论研究背景伴随全球能源结构转型的加快推进以及“双碳”战略目标的深入落实，研发高效、清洁、可再生的太阳能技术，现已成为当下能源领域的研究焦点与重要发展趋向。处于这一背景之下，有机太阳能电池（OrganicSolarCells,OSCs）因自身独特的材料特性和器件优势，备受瞩目。跟传统无机太阳能电池相对比，OSCs展现出以下几个明显的特点：其极轻薄的特性（面密度可低至5g/m²）使它尤其适用于对重量有高要求的应用场合；本质的机械柔性使其可承受反复弯折的压力，甚至实现折叠；溶液加工的特性让它能借助卷对卷（Roll-to-Roll）等低成本工艺达成大面积制备；多样的有机材料体系给实现光电性能的可调节性创造了广阔空间。基于这些优势，OSCs在可穿戴电子设备供电、建筑一体化光伏（BIPV）幕墙、便携式充电装置等新兴应用领域体现出巨大的商业化潜力。柔性有机太阳能电池（F-OSCs）作为传统刚性OSCs的关键拓展，不仅承袭了上述OSCs的长处，还由于它可弯曲、可折叠的特性进一步拓展了可应用领域。要实现名副其实的产业化应用，F-OSCs依然面临着几个关键挑战点：就机械性能这方面而言，得解决柔性基底跟功能层之间的界面应力匹配问题；说到稳定性方面，要克服反复形变所造成的器件性能衰退现象；就制备工艺这个方面而言，需开发契合大面积生产的低温加工技术，这些挑战是当前F-OSCs研究面临的主要瓶颈，也是本综述重点留意和探究的核心要点，冲破这些技术壁垒，对推动柔性光伏技术走向商业化进程，达成其在智能穿戴、绿色建筑等领域的大规模应用具备重要的科学意义与实用价值。本文研究方向本论文将对高效率柔性有机太阳能电池（F-OSCs）的研究进展开展系统阐述，围绕柔性透明电极、活性层材料设计、器件结构及制备工艺优化、性能表征与稳定性研究等核心要点展开，着重研讨怎样同步提升光电转换效率（PCE）、柔韧性能和环境稳定性，最后说明F-OSCs现阶段商业化进程里依旧面临的关键挑战，同时提出可能的解决方案与研究方向，展望未来光伏技术从实验室进军实际市场。

关键材料研究进展2.1柔性透明电极图2.1呈现柔性有机太阳能电池的典型器件结构，F-OSCs由五个功能层组成，分别是柔性透明电极（FTE）、电子传输层（ETL）、光作用活性层、空穴传输层（HTL）和背部电极。柔性透明电极（FTEs）是柔性有机太阳能电池的核心组件，其性能对器件的光电转换效率和机械可靠性起着直接决定作用，本节将系统综述采用不同FTEs的柔性器件研究进展，主要依托金属基电极、碳基电极和复合电极三大体系取得的系列突破性进展。2.1.1金属基电极从金属基电极方面看，采用溶液法制备的银纳米线（AgNWs）网络是首选材料，因其出色的导电性（最优方阻在8-15Ω/sq之间）、透光率（550nm波长下透光率为90-95%）和机械性能，成为研究焦点，基于银纳米线（AgNWs）嵌入式PI电极的柔性有机太阳能电池（F-OSCs）呈现出卓越的性能状态。研究团队经由化学亚胺化工艺开发出超薄AgNWs/PI复合电极，这一电极具有12.7Ω/sq-1的低方阻数值、550nm处86.3%的高透光百分比以及0.32nm的超光滑表面，基于PM6:BTP4Cl为活性层的F-OSCs实现14.37%的效率，而且在0.5mm极端弯曲半径下完成4000次循环后，效率保持率为93%。银纳米线（AgNWs）柔性透明电极凭借自身出色的综合性能表现，已成为柔性电子领域展现出高发展前景的电极材料之一，针对此电极所存在的表面粗糙度问题，科研人员已探索出多种有效的改进方法，高性能柔性有机太阳能电池（F-OSCs）已成功验证了这些技术，怎样进一步增进AgNWs电极的关键性能指标，尤其是提高其表面的平整度以及薄膜的均匀性，依旧是现阶段研究工作的核心内容。将目光放长远看，开发可实现大面积制备的溶液加工工艺将成为推动该技术产业化的关键切入点。此外，超薄金属电极（特别是银基薄膜），凭借其优异的导电性能和光学特性，成为柔性透明电极研究的重要方向。近年来，该领域取得显著突破，例如基于顶部照明结构的超薄银电极系统。研究显示，在聚酰亚胺基底上制备的1cm²器件实现了15.56%的优异光电转换效率。特别引人注目的是，该电极展现出非凡的机械稳定性——在4mm弯曲半径条件下，经过高达10万次的弯曲循环测试后，器件性能仍能保持初始水平。不过，这类采用真空蒸镀工艺制备的超薄金属电极仍面临制备成本相对较高和在大面积柔性组件制备方面存在工艺适配性问题。这些限制因素在一定程度上制约了该技术在产业化应用中的推广。当前研究重点正转向开发低成本替代材料和优化制备工艺，以突破这些技术瓶颈。2.1.2碳基电极在碳基电极的研究中，石墨烯因其高透光性、优异导电性以及与有机材料间的低接触电阻等特性，已成为极具前景的柔性透明电极材料。近年来，研究者通过开发的苯并咪唑掺杂技术，通过精确调控三层石墨烯的堆叠结构和掺杂浓度，在保持92%透光率的同时将方阻降至83Ω/sq，表面粗糙度控制在0.5nm以下。然而在实际应用中通过化学气相沉积（CVD）法制备的石墨烯电极仍面临两大核心挑战：一方面，还原氧化石墨烯电极存在电导率与透光率的相互制约关系；另一方面，CVD法制备的高质量石墨烯需要复杂的转移工艺，限制了其规模化生产。此外，碳纳米管（CNTs）网络电极通过等离子体处理可使方阻降至28-50Ω/sq，且具备优异的拉伸性能（断裂应变>100%），但存在各向异性导电的问题。2.1.2复合电极体系柔性有机太阳能电池复合电极体系的研究近年来取得显著进展，通过多材料协同策略成功突破了单一材料体系的性能限制。例如，石墨烯/AgNWs杂化电极结合石墨烯的覆盖性和AgNWs的高导电性，使方阻降至12Ω/sq的同时保持92%透光率。特别值得关注的是MXene/AgNWs复合电极，其独特的氢键相互作用使薄膜断裂能提升至35J/m²，远高于纯AgNWs电极的8J/m²。在此之外，三元复合体系（如AgNWs/石墨烯/PEDOT:PSS）进一步实现了导电性、透光率和弯曲稳定性的最佳平衡。这类复合电极通过组分和结构的精确调控，正在突破传统电极的性能极限。2.2活性层材料首先，刚性OSCs中表现优异的活性层材料始终是研究核心，因其可便捷移植至柔性器件。在富勒烯时代，P3HT:PC61BM和PCE10:PC71BM是柔性器件中广泛应用的经典体系。尽管效率相对较低，但基于这两种材料体系的F-OSCs已实现从实验室小尺寸器件到大面积组件的制备，相关工艺技术也同步建立。近年来，非富勒烯受体（NFAs）的分子工程推动了F-OSCs效率的显著提升。以Y6及其衍生物（如BTP-eC9、L8-BO）为代表的A-DA'D-A型受体通过稠环电子缺核设计和端基氟化策略，将器件效率已经突破18%。这类材料具有窄带隙（1.3-1.5eV）和高消光系数的特性，同时其三维网络结构增强了电荷传输能力。最新研究表明，通过引入不对称侧链或硒吩取代，可进一步优化分子堆积和能级匹配，实现更高的器件效率。给体材料的创新聚焦于拓宽吸收光谱和提升载流子迁移率。PM6、D18等宽带隙聚合物给体（Eg≈1.8eV）通过引入氟化噻吩单元和烷氧基侧链，实现了与Y6类受体的理想能级匹配。近年来，新型给体如PTQ10和PBDB-T-2F通过缩短合成步骤和降低成本，展现出产业化潜力。值得关注的是，凭借聚合物材料本征的柔性耐久特性，由聚合物给体和受体构成的全聚合物有机太阳能电池为制备具有优异机械性能（包括良好弯曲性和延展性）的F-OSCs提供了重要契机。例如，基于新型聚合物给体材料的小弹性模量和较大裂纹起始应变特性，研究者成功实现了兼具16.5%转换效率与出色柔韧性的全聚合物F-OSCs。除新材料设计外，通过三元共混和添加剂策略可精细调控活性层形貌与延展性，这些方法同样是提升OSC效率的有效途径。如采用两种高相容性聚合物给体与一种聚合物受体的三元全聚合物体系，相较于二元对照器件展现出更高效率和更优延展性。或者采用热塑性弹性体SEBS作为活性层添加剂，在保持器件效率的同时显著提升了拉伸性能。在导电聚合物基F-OSCs的研究中，研究者采用甲磺酸(CH3SO3H)等温和酸处理PH1000薄膜，在室温下用CH₃SO₃H处理PET基底上的PH1000薄膜，由此获得优异性能：透光率≥90%，电导率2860S/cm，表面粗糙度2.14nm。PBDB-T:IT-M体系的F-OSCs效率达10.12%，在5.6mm弯曲半径下循环1000次仍保持94%初始效率。后续采用PM6:Y6:PC71BM三元活性层，效率能进一步提升至14.06%器件结构与工艺优化3.1新型器件结构3.1.1倒置结构近年来，F-OSCs的倒置结构（ITO/电子传输层/活性层/空穴传输层/电极）因其优异的器件稳定性和工艺兼容性成为研究重点。通过界面工程创新，倒置结构实现了显著性能提升。在高效活性层体系成功应用于F-OSCs后，采用倒置结构的柔性器件效率目前可达18%。在电子传输层方面，ZnO纳米晶的低温溶液加工使其完美兼容柔性塑料基底，而通过Al3+掺杂可将电子迁移率提升至0.1cm²/V·s；在空穴传输层方面，开发了新型单分子层材料，其厚度仅2-3nm却能将电极功函数调控至5.0eV。特别值得注意的是，梯度能级设计通过构建阶梯式能级排列，将界面复合电流抑制到10-13A/cm²量级，使基于PM6:L8-BO体系的柔性器件效率高达18.32%。在稳定性方面，倒置结构配合原子层沉积封装的器件在双85测试（85℃/85%RH）下T80寿命达3000小时。机械稳定性方面在3mm弯曲半径下通过10⁵次循环测试，效率保持率大于95%，展现了出色的产业化潜力。3.1.2叠层结构叠层结构通过拓宽光谱响应范围成为突破单结Shockley-Queisser极限的关键策略，其最新进展主要体现在三个方面：在材料体系上，前端电池采用宽带隙材料（如D18-Cl，Eg=1.92eV），后端电池选用窄带隙材料（如BTP-eC9，Eg=1.28eV），通过精确的光子管理实现太阳光谱的全域捕获。在互连层技术上，开发了基于PEDOT:PSS/ZnO纳米绒面结构的“光学-电学双功能”互连层，使四端叠层器件的效率提升至23.5%。在柔性化方面，超薄设计取得突破性进展：采用7μmPEN基底和12nm/8nm/12nm的MoO3/Ag/MoO3透明中间电极，制备的叠层器件重量仅5.2g/m²，在保持20%以上效率的同时实现的38W/g功率密度。特别值得关注的是，通过引入机器学习辅助的光学模拟，可以精准预测最佳膜厚组合，将叠层器件的理论效率极限进一步提升，为下一代超高效柔性光伏技术指明了发展方向。3.2制备工艺创新3.2.1溶液加工技术3.2.2卷对卷连续化生产技术3.2.3低温制备技术性能表征与稳定性研究4.1光电性能测试在高效率柔性有机太阳能电池研究中，光电性能测试对于揭示效率损失机制至关重要。通过先进的表征手段，研究者已系统解析了三大主要效率损失途径：第一是激子动力学损失，超快光谱研究（如飞秒瞬态吸收）显示，当前高效体系（PM6:Y6）的激子扩散效率可达92%，但扩散长度仍限制在15nm，导致约5%的效率损失。通过引入梯度异质结设计，该损失已有所降低。第二是电荷输运损失，原位空间电荷限制电流（SCLC）测试揭示，柔性器件中普遍存在的微应变（大约0.1-0.5%）会使电荷迁移率降低30-50%。最新发展的原位阻抗谱技术证实，通过应变缓冲层设计可恢复95%的原始迁移率。第三是界面复合损失：电致发光量子效率（EQEEL）测量发现，柔性界面（如AgNWs/活性层）的非辐射复合损失高达15%。采用新型MoOx/PFN-Br双界面层后，该损失也有所降低。特别值得注意的是，通过光电流断层扫描（OCT）技术实现了三维效率损失分布的可视化，发现弯曲状态下电极/活性层界面处的局部效率损失可达平面状态的3倍。这些发现为针对性优化柔性器件提供了精确指导，推动柔性太阳能电池的效率提升。4.2机械稳定性评价柔性有机太阳能电池的机械稳定性评价体系已逐步建立标准化测试框架。涵盖三类核心测试规范：弯曲测试（包括静态/动态模式，弯曲半径1-5mm可调）、拉伸测试（单轴/双轴，应变率0.1-10%/s）以及复合应力测试（85℃/85%RH条件下同步施加机械载荷），其中动态弯曲测试要求3mm半径下5000次循环后效率保持率≥90%。最新发展的多场耦合测试平台可同步监测电阻（四探针法）、形变（数字图像相关技术）和光电性能（原位IV测试），实现应变-效率衰减的定量关联。在失效机理研究中，研究者通过失效分析表明机械损伤主要发生在三个关键界面：1）电极/传输层界面，AgNWs结点断裂导致接触电阻呈指数增长；2）活性层内部，原位GIWAXS证实π-π堆积距离在2%应变下增加0.5Å，使电荷迁移率下降40%；3）基底/功能层界面，热膨胀系数差异引发剪切裂纹，透射电镜断层扫描揭示，弯曲应力会使活性层相分离尺寸大大粗化。最新提出的"裂纹萌生及扩展"模型量化了应变速率失效循环次数的关系，为寿命预测提供了理论基础。这些发现指导开发了仿生蛛网电极（断裂应变>80%）和自修复弹性体界面层，使器件在5mm弯曲半径下的循环寿命突破105次。4.3环境稳定性提升近年来，柔性有机太阳能电池的封装技术取得重大进展，主要包括三个方向：一是无机/有机杂化封装体系，采用原子层沉积（ALD）生长的Al2O3（厚度30-50nm）与旋涂聚氨酯（PU）复合，水氧透过率降至5×10-6g/m²/day，较传统单层封装提升较大。其中Al2O3层通过缺陷修复技术使针孔密度小于0.1个/cm²，而PU基质提供弹性缓冲；二是室温溅射制备的非晶Zn-Sn-O（ZTO）薄膜，通过优化Zn/Sn=3:2的化学计量比，实现优异阻隔性与弯曲稳定性的统一；三是紫外固化环氧树脂与导电银浆的双重边缘密封技术，将85℃/85%RH湿热环境下的边缘渗透速率控制在0.01mm/1000h。自修复技术的突破为环境稳定性开创新范式：基于Diels-Alder可逆键的活性层材料（如DA-PBDBT）在80℃下30分钟即可实现大于95%的效率恢复；聚二甲基硅氧烷（PDMS）基质中分散着AgNWs微胶囊，通过释放Ga-In合金，实现电极导电性的原位恢复；光响应型封装材料利用蒽二聚体在300nm紫外光照射下发生可逆解离，实现极高的修复效率和50次以上的循环修复能力。这些自修复系统使器件具备"自维护"功能，使其理论寿命突破10年，推动柔性光伏向智能化方向发展。当前研究正聚焦多响应型智能材料开发，以应对复杂应用环境中的多种退化机制。挑战与展望近年来，F-OSCs领域取得了令人瞩目的突破性进展，这主要得益于三大关键技术的发展：柔性透明电极（FTEs）性能的显著提升、活性层材料的快速创新以及器件结构的持续优化。特别是在过去五年间，研究人员通过开发新型纳米材料（如银纳米线网络和石墨烯复合电极）和优化界面工程，使得FTEs的导电性和透光率已接近传统ITO电极的水平；同时，以Y6为代表的新型非富勒烯受体的出现，将活性层的光电转换效率提升至18%以上；此外，创新的器件结构设计（如倒置结构和叠层器件）进一步提高了电荷收集效率。这些技术进步共同推动F-OSCs性能达到前所未有的高度，为其实用化奠定了坚实基础。然而，要实现真正的商业化应用，F-OSCs仍面临三个有待解决的关键挑战：转换效率相对较低、稳定性不足以及成本过高。在所有光伏技术（包括F-OSCs）的商业化进程中，效率、稳定性和成本这三个核心要素必须作为一个有机整体来统筹考量。单纯追求高效率而忽视稳定性或成本，或者只注重降低成本而牺牲性能，都无法实现真正的商业化成功。要实现这三者的平衡关系，正是光伏技术从实验室走向市场的关键所在。5.1转换效率问题转换效率始终是光伏技术发展的核心指标。相较于硅基和钙钛矿等无机光伏技术，OSCs性能仍存在差距。突破效率瓶颈需要双管齐下：在活性层材料方面，被视为制约OSCs效率的关键瓶颈的是开发新型活性层材料以降低电压损失。研究表明，开发新型给受体材料以降低电压损失至关重要，通过精确调控分子能级（如采用不对称稠环设计）将非辐射复合损失显著降低。在未来的研究中，研究者可以深入解析分子结构、器件性能和电压损失三者之间的内在关联，建立定量关联模型。这需要结合第一性原理计算、原位表征技术和机器学习方法，系统研究分子能级排布、聚集态结构和界面特性对非辐射复合损失的调控机制。除活性层优化外，柔性透明电极（FTEs）作为F-OSCs的关键组件，其性能提升同样至关重要。正如前文所述，近年来AgNWs网络电极、石墨烯基复合电极等新型FTEs取得了系列突破，例如通过激光焊接技术将方阻降至10Ω/sq以下，采用嵌入式结构使表面粗糙度（RMS）<1nm，部分指标已与刚性ITO电极相当。然而，现有FTEs仍面临产业化要求的挑战：在保持低方阻（<15Ω/sq）和高透光率（>90%）的同时，还需实现亚纳米级表面平整度（RMS<0.5nm）、优异机械柔韧性（10万次弯曲循环）以及低成本卷对卷制备。这些多重要求的协同满足，需要开发新型合金纳米线材料、创新低温焊接工艺，并同时建立标准化性能评价体系。5.2稳定性问题稳定性问题是F-OSCs实现商业化应用必须攻克的关键挑战。在实际应用场景中，F-OSCs需要长期耐受多重环境应力，包括持续光照、高温、氧气/水汽渗透以及反复机械弯曲等严苛条件。值得关注的是，近期研究数据表明，OSCs在加速老化测试中已展现出10-20年的潜在使用寿命，这充分证明了有机光伏技术具备实际应用的可行性。然而，对于F-OSCs而言，特别是高效率体系，其整体稳定性表现仍存在明显不足，仍需进一步提升。其中，给受体共混活性层的形貌稳定性是最为关键的制约因素。最新研究发现，通过分子层面的精细设计，特别是对活性材料化学结构的精确调控，可以实现高效率与高稳定性的理想平衡。例如，采用特定侧链工程策略能够有效调控给受体材料之间的相容性，促进形成热力学稳定的相分离结构（相区尺寸20-50nm），从而使活性层形貌在长期工作条件下保持稳定。不过，尽管已有诸多研究取得显著进展，目前科学界对材料分子结构与形貌稳定性之间的定量构效关系仍缺乏系统认知，这限制了稳定性设计的精准性。特别值得注意的是，全聚合物太阳能电池体系展现出独特优势，其同时具备较高的光电转换效率（>15%）和优异的机械稳定性（断裂应变>10%）。然而，这类体系的材料批次差异性仍是制约其产业化的重要因素。此外，F-OSCs的机械稳定性很大程度上依赖于柔性电极的性能表现。可喜的是，随着电极材料的快速发展，除传统ITO电极外，是在不极端追求最高效率指标的应用场景下，大多数新型柔性电极（如AgNWs、导电聚合物等）的柔韧性已不再是主要限制因素，这一进展为F-OSCs的实际应用扫除了重要障碍。5.3成本问题成本效益也是决定F-OSCs能否实现商业化落地的关键因素，然而当前研究对该问题的关注度仍落后于效率和稳定性的探索。深入的成本分析研究揭示