IF：86.2！中科院福建物构所，最新Nature Reviews Materials！

有机太阳能电池将光捕获与能量存储功能集成于单一器件，当采用多孔有机材料时，更能实现高效的太阳能-电化学储能转换。尽管在材料与器件工程领域已取得显著进展，但其电荷动力学特性与规模化应用仍面临挑战，需要进一步研究与优化以释放其全部潜力。

太阳能-电化学储能是继光电转换和光化学转化之后太阳能利用的关键路径之一。便携式设备及下一代技术发展对高能量电池的需求持续增长，正推动着可持续太阳能储能方案的探索。有机太阳能电池采用具有可调控光捕获、电荷传输及氧化还原活性等功能的多孔有机材料，将光伏转换与电化学存储融合于单一器件，为实现直接储能提供了可持续方案。通过将给体-受体结构与氧化还原活性位点耦合，这类材料能在表面实现激子与离子共同参与的原位激子-氧化还原反应，从而最大限度减少传统光电化学系统中长程电荷传输的损耗。此外，其利用高能光子产生热激子的能力以及亚带隙吸收引发的局部热效应，不仅拓宽了光谱利用范围，还促进了热力学上更有利的高电位氧化还原反应，推动了有机太阳能电池效率极限的突破。

然而，对多尺度结构-性能关系的认识不足制约了有机太阳能电池的实际应用。尽管已对其孔隙率、结晶度及电子特性进行了广泛优化，但超快电荷生成、传输、复合与相对缓慢的电化学氧化还原反应之间的复杂相互作用仍未得到充分阐释。超快电荷复合与缓慢电化学过程之间的时间失配进一步加剧了光子能量损失。除这些基础性瓶颈外，实验室成果向可制造、耐用器件的规模化转化也亟待推进。

突破这些障碍需要从分子尺度到器件尺度的机理认知，并结合针对性优化与制备方法。中国科学院福建物质结构研究所王要兵研究员课题组在Nature Reviews Materials上发表题为“Optimization strategies for organic solar batteries”的评论文章，通过剖析有机太阳能电池的工作原理、电荷动力学及制备工艺，阐释优化策略如何影响其性能与可扩展性。推动这些新兴方向的发展，或将促使有机太阳能电池转化为耐用、环境兼容且具备商业可行性的跨领域技术。

工作过程、电荷动力学与制备工艺

在有机太阳能电池的太阳光驱动充电过程中，光活性有机电极产生电子-空穴对，其中电子在阳极驱动还原反应（如质子化），空穴则氧化阴极（例如通过C=O向C–O⁻转化）释放质子，从而将太阳能以电化学形式存储。其性能关键取决于电极材料。多孔有机材料因能在分子光电化学结中整合电荷分离结构与氧化还原活性单元而备受关注，这些结结构为激子和离子提供了可接触的氧化还原表面，促进激子与质子的迁移交换，实现了高达12.1%的太阳能-电化学储能效率，超越了传统小分子、聚合物及无机材料。

在基础动力学机制层面，激发态形成后，激子通过定制的电荷分离结构快速分离，形成高能电荷转移激子。这些高能电荷转移激子可通过质子耦合激子转移等机制直接驱动离子耦合化学反应，避免传统块体材料中长程电荷传输的能量损失，并抑制快速复合至基态。然而，受限制的光电压产生伴随的巨大能量损失（ΔG，图1a）构成了热力学障碍。此外，电荷分离与氧化还原过程的时间失配因离子传输而加剧（图1a），带来动力学挑战。这些固有局限凸显了在分子层面建立质子耦合激子转移动力学调控基础设计原则的必要性。

除分子优化外，器件级工程也至关重要。一项前景广阔的策略是采用3D打印叉指架构，将多孔有机材料与导电添加剂配制的电极墨水打印到基底上，经过冷冻干燥和水凝胶电解质精确沉积，实现图案化制备。通过调控几何结构可同步优化光子吸收与离子传输。精确调节光电极厚度与面积能平衡性能、降低能量损失，并支持轻量化可持续设计。优化将成为推动有机太阳能电池从实验室原型走向实际应用的关键，助力克服能量密度、循环稳定性及可扩展性等挑战。

图1：有机太阳能电池的工作机制、优化策略及潜在应用。 a. 有机太阳能电池中反应过程的时间尺度示意图。 b. 分子层面的优化策略。 c. 有机太阳能电池的潜在应用领域。 ΔE：活化能垒；ΔG：能量损失；ΔS：自旋差异；Δt：电荷分离与氧化还原过程的时间失配；CS：电荷分离态；ES：激发态；GS：基态；hν：光子能量；I：中间态；P：产物态。

面向商业化的优化策略

分子层面调控

多孔有机材料的分子可调性可用于推进有机太阳能电池发展。精确的分子设计能从根本上延长电荷分离态寿命并优化氧化还原动力学，提升整体光电化学储能效率（图1b）。增强自旋轨道耦合可驱动系间窜越至长寿命三重态，利用返回单重基态的自旋禁阻特性延缓电荷复合。通过定制声子模式将振动能量导向反应位点，可有效降低活化势垒，加速氧化还原动力学。同时，通过微环境调控构建快速质子传输通道能提升氧化还原反应速率。

电极材料

通过在不同尺度调控光电化学结、微调给体-受体结构、异质结结构及氧化还原或光电压，可获得适用于离网太阳能电池的高性能材料。例如萘四羧酸共价有机框架阴极中，定制的给体-受体单元实现了高效电子提取。协同的光致电荷转移与长寿命电荷分离延长了电荷分离时间，提升了电压输出、电池效率（达38.7%）及太阳能-电化学储能效率（0.08%）。

异质结能进一步提升性能。例如，针对光辅助锂-有机电池开发的多孔有机笼主-客体结构（C60@POC）中，氧化还原活性电荷分离双功能富勒烯阴极使往返效率提升24.2%，太阳能-电化学储能效率达约1%6。类似地，碳纳米管核壳异质结光阴极中的共价有机框架，相比原始框架将电荷分离态寿命提升近一倍，通过光耦合离子转移机制在1个太阳光照下实现1.1%的太阳能-电化学储能效率。该概念进一步拓展至采用双光耦合离子转移过程的对称共价有机框架异质结器件，实现了长寿命激发态（1.5纳秒）与定向传输，在56平方厘米器件中获得6.9%的太阳能-电化学储能效率。

太阳能-电化学储能效率受限于全光谱利用不足及光电压与氧化还原电位之间的能量失配。通过构建具有离子极化的强给体-受体结构，能以最小能量损失驱动热激子高电位氧化还原反应；同时引入光热基元，通过激子-声子耦合捕获近红外光，降低ΔE并提升反应速率。该策略实现了12.1%的创纪录太阳能-电化学储能效率、11.2毫安/平方厘米的光电流以及可扩展的200平方厘米叠层器件，彰显了有机太阳能电池的商业潜力。实验室测量表明，基于此设计的优化有机太阳能电池有望将太阳能-电化学储能效率提升至20%。类比双功能阴极，基于萘二酰亚胺共价有机框架的双功能阳极（空穴提取）材料可作为水性有机太阳能电池中的光阳极，同步实现光捕获与电荷存储释放，促进按需发电。

新兴机遇

有机太阳能电池通过将光捕获与存储功能无缝融入日常生活，有望从根本上重塑人类与能量的交互方式（图1c）。在不远的将来，嵌入衣物或直接贴附于皮肤的超薄柔性薄膜可利用环境光持续为健康监测设备供电，摆脱对传统电池的依赖。该模式可扩展至交通领域，集成在车窗中的透明叉指光充电阵列将被动产生并存储能量，补充电力系统并降低能耗。更大规模上，屋顶部署的可流动有机太阳能电池或将变革家庭能源系统，提供大容量太阳能存储。将这些前景广阔但技术要求高的概念转化为实际应用，需要学界、产业界与资助机构的紧密协作，共同攻克可扩展性、性能、安全性与可持续性等挑战。