香港城市大学&南昌大学&中国石油大学（华东）AEM综述：钙钛矿基叠层太阳能电池走向商业化应用

在21世纪，不断攀升的能源需求是人类面临的最紧迫挑战之一，光伏技术是打破能源瓶颈和实现最终碳中和的关键途径。钙钛矿作为一种新兴光伏技术，由于其低成本和高功率转换效率，有望在未来碳中和过程中发挥重要作用。不仅如此，钙钛矿材料易于调节的带隙使其能够与其他先进光伏器件集成，进而突破Shockley – Queisser极限。为了进一步推动钙钛矿基叠层太阳能电池的商业化应用，了解钙钛矿基叠层太阳能电池的研究现状和评价该类电池的发展趋势至关重要。

本文系统综述了钙钛矿基叠层太阳能电池走向商业化的方向，包括当前的光伏产业、商业化路线中的关键考虑因素、实验室的最新研究成果以及对未来发展的展望。希望本综述能为未来钙钛矿基叠层太阳能电池的研究提供帮助，促进钙钛矿光伏市场的繁荣。该工作以“Perovskite-Based Tandem Solar Cells toward Commercial Application”为题发表在Adv. Energy Mater.期刊上。

有机太阳能电池技术在过去十年间经历了前所未有的发展，其核心驱动力在于非富勒烯受体材料的出现与迭代。与传统富勒烯材料相比，NFAs具备吸收光谱宽、能级可精准调控、分子结构设计灵活、形貌稳定性好等先天优势。自2015年里程碑式的ITIC材料问世以来，NFAs迅速将单结有机太阳能电池的能量转换效率从早期的个位数推升至20%以上，逼近了传统硅基太阳能电池的水平。与此同时，器件的运行稳定性也获得了质的飞跃，最佳体系的T80寿命（性能保持初始值80%的时间）已超过10,000小时，初步满足了商业化应用对寿命的基本要求。学术界普遍将2015年后的时期称为“NFAs时代”，充分肯定了该类材料对整个领域的变革性影响。

超越“唯效率论”，构建多维工业级评价指标体系

尽管记录效率被不断刷新，但本文强调，单纯追求效率数字已不足以推动技术的真正落地。为此，闵杰教授研究团队在过去几年内系统性地提出了工业品质因子（i-FOM）系列模型，为评估材料的应用潜力提供了全新的多维标尺：

2017年提出的i-FOM 1.0首次将效率、光稳定性和活性层材料合成复杂度纳入统一框架。2021年提出的i-FOM 2.0进一步引入了热稳定性与材料成本，揭示了某些高效率体系在综合成本效益上的短板。近期新提出的i-FOM 3.0则重点关注材料的高速加工适应性，将大面积模组在高速制备条件下的效率纳入考核。

闵杰教授组提出的一系列评价体系清晰地表明，一个真正有前景的材料必须是效率、稳定性、成本与工艺可行性的"最优解"，而非单一的"效率冠军"。这种综合评估理念正在逐步获得学术界与产业界的广泛认同，为推动技术的实用化发展提供了重要指导。

洞察效率天花板：理论预测指引未来突破方向

在回顾实验进展的同时，文章专章深入探讨了非富勒烯有机太阳能电池的理论效率极限。基于Shockley-Queisser细致平衡理论，并结合有机半导体特有的能量损失机制，团队对未来的效率提升空间进行了前瞻性预测。

文章指出，当前效率纪录已接近早期理论预测的“天花板”，但这并非终点。通过精确分析能量的损失通道，团队强调非辐射复合损失是制约电压提升的关键。近期，一些先进NFA体系的外量子电致发光效率已提升至10-2量级，使得非辐射电压损失降低至约0.2 eV，但与钙钛矿、硅等无机体系相比仍有差距。文章预测，通过增强电荷转移态与局域激发态之间的电子耦合、设计更平面、刚性的分子骨架以降低重组能、以及引入重原子效应等分子工程策略，有望将非辐射电压损失进一步降低至~0.1 eV。在此基础上，若能同时将填充因子优化至85%以上，单结有机太阳能电池的效率极限有望突破24%。这一理论预测为下一代NFA材料的分子设计提供了清晰的理论依据和奋斗目标。

NF-OPVs的PCE潜力评估
(A) 黑色实线代表S-Q理论预测的VOC随光学带隙变化的函数。红色虚线描绘了J-V曲线。图中的彩色区域说明了能量损失路径。
(B) 代表性OPV器件中入射光子利用的分布。虚线代表器件的EQE曲线。
(C) 四个高性能OPV系统的EQE曲线，数据来自参考文献。
(D) 使用经验公式和S-Q理论计算的太阳能电池FF极限，作为器件VOC的函数。蓝色阴影区域代表S-Q极限的90%-95%。红星表示当前文献报道的最高FF值。
(E) S-Q理论预测的PCE极限，作为非理想VOC损失和带隙的函数。比例尺表示PCE值。
(F) 不同光伏技术在光子利用和载流子管理方面的比较分析，包括GaAs、c-Si、钙钛矿、CdTe、CIGS和OPV。纵轴代表器件实际VOC与S-Q理论极限的比值，横轴代表器件实际VOC与FF的乘积与S-Q理论极限的比值。比例尺对应实际PCE与S-Q理论极限的比值。

稳定性挑战：从材料降解机制到形貌控制策略

在稳定性方面，有机太阳能电池的商业化应用面临着多重挑战，需要从材料本征稳定性、形貌稳定性和界面稳定性三个层面进行系统性优化。

研究表明，非富勒烯受体材料的降解主要源于光氧化和分子异构化等机制。在光氧稳定性方面，文章从NFA材料的三阶段降解路径出发进行分析，指出在目前的材料体系中特别值得关注的是，A-D-A和A-DA'D-A型NFA-SMAs普遍含有两个环外交联乙烯基团作为共轭桥，这些基团容易受到亲核攻击和光氧化的影响。通过增强骨架平面性和薄膜结晶度，可以显著提高NFA在本征条件和惰性条件下的光稳定性。

形貌稳定性是非富勒烯体系面临的另一个关键挑战，尤其对于NFA-SMAs而言更为突出。这些材料在光热应力下具有发生相分离和结晶驱动的活性层微形貌重构的内在倾向。文章介绍了基于经典的Flory-Huggins理论建立起来的半定量的热力学框架。分析表明，混合域的组合在工艺处理后从均质混合物演化为理想状态，但是由于有限的D-A混溶性，SMA浓度最终稳定在渗透阈值以下，同时形成近纯的SMA相，导致性能损失。然而，近期的研究表明形貌演变更多地受动力学机制支配。例如Ghasemi等人的研究表明，一些低混溶性共混体系尽管在热力学上更具不稳定性，但由于超高的扩散活化能，表现出显著更优的的器件稳定性，这实际上是动力学主导的。这一现象凸显了基于高相变温度、低扩散系数和高弹性模量聚合物的NFA在抑制分子扩散和稳定非平衡形貌中的关键作用。在提升稳定性的分子设计策略方面，多项研究证实了分子设计规则（如氟化或氯化、侧链选择或定位、分子构象等）、形貌控制策略（如溶剂和固体添加剂、逐层加工、三元策略、热退火、溶剂蒸汽退火等）和界面层优化可以有效增强活性层体系的运行稳定性和热稳定性。此外，分子量（尺寸）和形状会影响有机材料的弹性模量、扩散系数和相变温度，这推动了聚合物受体如PYT衍生物和Y系列寡聚物的发展。

文章特别指出了在OPV领域内进一步推广标准化稳定性评估协议的迫切性。尽管ISOS共识标准已建立超过十年，但这些标准化基准与其在实验研究中的持续应用之间仍存在显著脱节，文章呼吁严格执行ISOS-L（光稳定性）和ISOS-O（室外稳定性）等协议，以确保对高性能的有机光伏体系进行可靠和可重复的评估，这有赖于学术界、出版界和设备供应商团结一致的努力。

产业化核心挑战：材料成本与规模化制造

文章进一步深入剖析了走向商业化必须攻克的成本控制与规模化制造挑战。

在成本控制方面，有机太阳能电池的商业化前景很大程度上取决于能否实现与传统能源相当的成本水平。研究团队对此进行了深入系统的分析，创新性地引入了最低可持续价格模型进行精细化测算。该模型综合考虑了材料成本、制造费用、资本成本和使用寿命等多个维度，为OPV技术的经济性评估提供了科学依据。分析表明，降低材料成本的核心突破口在于简化合成路径。当前高性能非富勒烯受体的合成复杂度普遍较高，以经典的Y6受体为例，其实验室规模的合成成本高达25.68美元/克，这在一定程度上制约了其商业化应用。然而，令人振奋的是，近年来兴起的非稠环电子受体技术路线为解决这一难题提供了有效方案。例如，TBT-26等非稠环受体材料在保持16%-17%转换效率的同时，成功将材料成本降至8.94美元/克，降幅超过50%。这一突破性进展主要得益于其简化的分子结构设计，大幅减少了合成步骤和纯化难度。不过令人欣慰的是，随着生产工艺的成熟和产能的扩大，高性能NFA材料的成本仍有较大的下降空间。。以Y6受体为例，其价格从2019年上市初期的约2500美元/克，在五年内经历了显著的下降，目前已降至300美元/克以下。

在合成工艺创新方面，研究者们开发出了多种绿色高效的合成方法。其中，三氟化硼乙醚催化的Knoevenagel缩合反应尤为引人注目，该技术不仅显著提高了反应效率，还大幅简化了产物的纯化过程。

除了材料本身的合成成本优化外，闵杰教授团队报道过材料循环利用的创新路径。研究表明，即使是性能已衰减至0%-2%的器件，其活性层材料仍能保持较好的化学稳定性，通过合理的回收工艺可以实现材料的再生利用。这种闭环回收策略不仅能够降低原材料消耗，还能显著减少废弃物产生，实现经济效益与环境效益的双重提升。

在规模化制造方面，文章系统分析了从微小实验室器件到平方米级组件的效率"缩放损耗"问题。研究表明，通过理性分子设计（开发具有良好溶解度、合适结晶度、长激子扩散长度和高电子迁移率的NFA材料）、创新的逐层加工技术以及活性层形貌的精准调控，可以降低活性层的尺度滞后效应。除此之外，与非理想界面层和电极相关的电学和几何损耗也会导致OPV中更大的缩放诱导效率损失。

OPV材料和器件的成本分析
(A) 单结太阳能组件降低太阳能组件MSP的路线图及其回收成本评估。
(B) 回收过程带来的经济效益。
(C) 基于各种重复使用的OPV组件的老化器件和回收器件的PCE计数直方图。
(D) 封装OPV器件五个可回收组件的回收后价值和回收率。
(E) 小分子及其醛封端的D基团和封端A基团的合成路线图。
(F) 全稠环受体的快速宏观制备示意图。

基于NFA材料的OPV组件放大分析
(A) 具有不同有效面积的代表性OPV器件及相应的PCE，并引入了其他光伏技术的纪录PCE数据作为参考。
(B) 聚合反应中自动化在线表征及相关影响因素的示意图。
(C) 不同反应条件下十次PYT聚合反应中光谱参数（PP, PI, PPC）的轨迹。黑框表示实现目标分子量的最佳反应终止点。
(D) PYT批次的聚合时间及其PCE值作为反应条件的函数。PCE数据点左侧是箱形图，右侧是正态分布曲线。
(E) 典型薄膜太阳能电池横截面及其等效电路图的简图。
(F) OPV组件模拟损失的相对权重汇总。

绿色加工与可持续性发展

在有机太阳能电池的商业化进程中，传统的卤代溶剂如氯苯、邻二氯苯等虽然具有良好的溶解性和成膜性，但其毒性和环境危害严重制约了大规模工业生产的发展。理想的绿色溶剂需要同时满足低毒性、适宜的沸点、良好的溶解性和环境友好性等多重要求。

目前，邻二甲苯、甲苯等芳香族溶剂，以及源自生物质的桉叶油醇、d-柠檬烯等，都展现出良好的应用前景。特别值得关注的是，这些溶剂的半数致死量（LD50）通常高于2000 mg/kg，远低于传统卤代溶剂的毒性水平。

然而，绿色溶剂的应用仍面临诸多挑战。首先，大多数绿色溶剂的沸点相对较高，这可能导致薄膜干燥过程中结晶动力学难以控制。其次，绿色溶剂对共轭有机半导体材料的溶解度通常较低，这要求研究人员在分子设计中必须充分考虑溶解性与聚集行为的平衡。例如，通过调控烷基侧链的长度和分支位置，可以有效地调节分子在绿色溶剂中的溶解性和预聚集行为。

面向未来：特定场景应用与智能研发新模式

有机太阳能电池的独特性能优势为其在多个专业化应用场景中创造了不可替代的市场地位。与传统的硅基太阳能电池相比，OPV具有轻质、柔性、半透明、可定制色彩、弱光响应性好等突出特点，这些特性使其在特定应用场景中展现出独特的竞争优势。

在建筑光伏一体化领域，OPV技术提供了传统光伏无法企及的设计自由度。通过精确调控活性层材料的吸收光谱，可以制备出具有不同透明度级别的半透明器件，平均可见光透过率可在10%-40%范围内精确调控。这不仅满足了建筑采光的基本需求，还能实现特定的美学效果。例如，通过调控给受体材料的比例和引入第三组分，可以实现在保持较高效率的同时，获得中性色的半透明器件，这对于现代建筑的外观设计具有重要意义。更为重要的是，OPV模块的拒红外效果为建筑节能提供了额外价值。研究表明，高性能ST-OPV模块可以阻挡超过80%的红外辐射，有效降低建筑制冷能耗。这种独特的光谱管理能力使OPV在BIPV领域展现出巨大的应用潜力。国际知名企业如Heliatek和ARMOR solar power films GmbH已经在这一领域进行了商业化尝试，其产品在多个标志性建筑中得到应用。在农业光伏应用领域，OPV技术展现出独特的技术优势。通过精确设计活性层材料的光吸收范围，可以制备出选择性透过特定波长光线的半透明模块。这种特性使得OPV模块可以同时满足作物生长和发电的双重需求。例如，可以设计主要吸收紫外光和部分蓝紫光的器件，同时透过光合作用有效的红光和远红光，为作物生长提供优化的光照环境。在物联网设备快速发展的背景下，OPV为分布式传感器网络提供了理想的供电方案。研究表明，在室内光照条件下（照度500 lux），优化后的OPV器件可以产生超过100 μW/cm²的功率密度，完全满足大多数低功耗传感器的供电需求。Dracula Technologies等公司已经开发出专门为物联网设备供电的印刷OPV模块，展示了该技术在可穿戴电子领域的商业化前景。

随着OPV技术在不同应用领域的深入发展，建立针对特定应用场景的专用评价标准变得尤为重要。传统的AM1.5G标准测试条件已不能完全反映OPV在真实应用环境中的性能表现。因此，需要开发面向BIPV、农业光伏、室内光伏等特定应用的评价体系和测试标准，以准确评估OPV在不同应用场景下的实际性能。

在研发模式创新方面，文章预测，结合高通量实验、自动化平台与机器学习的"智能研发"新模式，将极大加速新材料的发现与优化进程。这种新模式不仅能快速筛选最优分子结构，还能深入揭示"结构-性能-工艺"之间的复杂关系，实现材料设计的理性化和精准化。已有研究表明，通过机器学习辅助的分子设计，能够将新材料开发周期缩短数倍，同时显著提高成功率。

OPV系统的综合性能分析
(A) 硅太阳能电池、钙钛矿太阳能电池和OPV的定性比较。
(B) DP1:L8-BO和DP3:L8-BO活性层系统的多元关键性能指标分析的雷达图可视化。
(C) OPV在六个应用领域中共享或特定的器件特性需求示意图。

本综述既是对过去几年非富勒烯受体领域成就的总结，也是对有机光伏未来产业化发展的战略思考。它清晰地传递出一个信号：有机太阳能电池技术正处于从基础研究向产业化突破的临界点。通过跨学科的协同创新，在材料、器件、工艺和多样化落地应用形式上同时发力，非富勒烯有机太阳能电池有望在不久的将来，在光伏的商业市场中占据一席之地。

文章信息：

Xiaohei Wu, Xinrong Yang, Bowen Chang, Rui Sun*, Jie Min*. Material insights and challenges for organic photovoltaics based on non-fullerene acceptors. Joule (2025).

DOI:https://doi.org/10.1016/j.joule.2025.102169

通讯作者：

孙瑞 博士，邮箱：sun.rui@whu.edu.cn

闵杰 教授，邮箱：min.jie@whu.edu.cn

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