能源问题是现今世界社会经济发展面临的首要问题之一。由于化石能源的有限性及其带来的环境污染等系列问题，开发利用绿色可再生新能源技术一直是世界各国政府关注和科学家研究的重点（如图1所示）。在众多新能源技术中，作为一种取之不尽、用之不竭的清洁能源，太阳能电池发展迅速，其中无机太阳能电池已实现商品化应用。与无机太阳能电池相比，有机太阳能电池具有柔性、半透明、可大面积印刷制备等特点和优点，在建筑及装备一体化、汽车玻璃和可穿戴设备等方面具有广阔的应用和发展前景。

法国物理学家A. E. Becquerel在1839年首次发现了光生伏打效应，然而，直到1959年，H. Kallmann和M. Pope才成功制备出首个有机光电转化器件，尽管此器件的能量转换效率较低，但其推动了有机太阳能电池的研究进程^[1]。然而此后二十多年间，该领域的发展进程较为缓慢，直到1986年，美国柯达公司的邓青云博士采用真空蒸镀的方法，将双层异质结结构的概念引入有机太阳能电池的研究中，制备了能量转换效率接近1%的双层结构的有机太阳能电池，为该领域里程碑式的突破^[2]。随后，G. Yu和A. J. Heeger等提出了本体异质结的概念，将给受体共混形成互穿结构，从而提高了光生激子在给受体界面的解离效率。最终器件在430 nm单色光（20 mW cm^-2）照射下获得了2.9%的能量转换效率^[3]（图2）。

此后，研究人员从材料的设计合成、器件制备工艺的优化及器件物理机理等多方面对有机太阳能电池进行了深入全面的探索，使得该领域得到了迅速发展，尤其是近几年非富勒烯受体的出现和发展，使得有机太阳能电池的光电转换效率节节攀升（图3）。其中，我国科学家在非富勒烯有机太阳能电池研究领域做出了许多具有原创性和引领性的工作，多次刷新本领域的世界效率纪录。

实现有机太阳能电池的商业化，面临的主要问题包括能量转换效率、稳定性及成本等方面，但目前最大的挑战仍是如何进一步提升其能量转换效率。尽管近几年有机太阳能电池的能量转换效率得到了迅速提升，但与晶硅和钙钛矿太阳能电池相比，仍具有较大的差距。其主要原因在于有机材料的迁移率较低，单结器件的厚度受限，无法充分吸收太阳光。此外，由于单独一个有机材料对太阳光的吸收范围较窄，对能量大于或小于此材料光学带隙的太阳光均无法吸收，由此会导致较大的热损失。

为了进一步提高有机太阳能电池的效率，发展叠层结构是一个较好的策略。它通过连接两个或多个吸收互补的活性层可以吸收更宽范围的光，从而更加充分地利用太阳光，提高器件的效率（图4a）。同时，相比于单结器件，叠层器件更大程度地利用了各个波段的光子，可以在一定程度上缓解单结器件中存在的热损失和穿透损失。此外，与无机材料相比，有机材料光、电性能如能带、吸收范围等均可通过分子设计进行有效调控，理论上具有近乎无限的修饰空间，这也使得叠层有机光伏器件具有更大的发展空间。在多种类型的有机活性层材料中，基于本课题组最先提出的受体单元-给体单元-受体单元（A-D-A）型有机小分子材料，近年来取得了较大的成功。该类材料结合了传统的D-A型高分子材料和常规小分子材料的各自优点，兼顾了良好的光谱吸收和溶解度的特性。由于其外侧的A单元主要影响分子的LUMO轨道，内侧的D单元主要对分子的HOMO轨道，因此，可以通过对A、D单元进行合理地设计，以调控材料的光谱和能级。此外，其独特的分子结构，使外侧的LUMO 轨道具有更高的电子云密度，更有利于给受体之间的激子解离和电荷传输，最终获得较佳的器件性能^[5]。由于并联叠层器件的物理连接层的选择及制备仍存在难度，且其难以用全溶液旋涂的方法制备，因此，目前研究广泛的是由两个单结器件通过中间连接层以串联形式连接起来的叠层器件，如图所示。为方便叙述，下面所述叠层器件均为双结串联叠层器件。

叠层有机太阳能电池主要包含以下几个部分，底电极、前电池、连接层、后电池、顶电极（图4b）。为了获得高效率的叠层电池，每个部分均需兼顾考虑。近年来，有机光伏材料和器件工艺的快速发展，推动了可溶液处理的叠层有机太阳能电池的发展。然而，在很长一段时间内，相对于单结器件而言，叠层有机太阳能电池效率的提升较为缓慢，其面临的主要挑战为缺乏光谱匹配的高效前、后子电池活性层材料。

基于上述考虑，2018年，本课题组通过大量的文献分析，并结合已有的实验数据，提出了一个半经验模型，用来分析指导子电池活性层材料的设计与筛选^[6]。该半经验模型的所有假设都是基于Shockley-Queisser极限理论，其主要包含以下几点内容：（1）叠层器件的短路电流密度（J_sc）为整个器件所能达到的吸收范围对应的J_sc的一半，且假定器件在整个吸收光谱范围内其外量子效率（EQE）响应度相同，我们根据文献中大部分报道的结果，将其范围选取在65%~85%；（2）叠层器件的中间连接层完全透光，并与子电池能形成良好的欧姆接触，此时，叠层器件的开路电压（V_oc）为两个子电池的V_oc之和，即V_oc=V_oc,1+ V_oc,2，且由公式eV_oc=E_g-E_loss及E_g=1240/ λ_onset,子电池的V_oc与材料的截止吸收波长（λ_onset）及能量损失（E_loss）有关，其中E_g为电池材料的光学带隙。由于在AM 1.5G光照条件下，叠层器件最终达到的效率（PCE）为V_oc、J_sc和填充因子（FF）的乘积，即PCE=J_sc×V_oc×FF。基于此，在一个标准太阳光下，叠层太阳能电池的效率和后电池材料的截止吸收波长λ_onset、前后电池的E_loss、EQE和FF建立了有效的关联。当我们假定叠层器件的FF和E_loss为目前多数文献报道的有机器件所能达到的较为优异的值时，可以得到叠层器件的效率与后子电池的λ_onset和EQE等的关系。

图5a展示了叠层器件的FF假定为0.75时，其效率和后电池活性层材料的截止吸收波长（λ_{onset, rear cell}）、E_loss以及EQE之间的关系。可以看出，在FF为0.75时，随着EQE响应的增加、E_loss的减小其效率逐渐升高；随着λ_{onset, rear cell}逐渐红移，其效率先升高后降低，叠层器件的效率最高可达28%。如图5b所示，当λ_{onset, rear cell}达到1100 nm，EQE的响应为75%，FF为0.75，E_loss为0.6 eV时，叠层器件的PCE可达20%。若按照目前单结器件最好的结果， EQE的响应为80%，FF为0.80，E_loss为0.5 eV时，叠层器件的PCE可超过25%。

基于以上分析，本课题组通过对大量的材料进行筛选比较分析，发现国家纳米科学中心丁黎明研究员课题组发展的PCE10:O6T-4F:PC₇₁BM体系其截止吸收波长可到1050 nm，且其性能参数也较为优异，是一个很好的后电池材料，随后，依据模型，可推断出此时前电池的最佳截止吸收波长应在720 nm左右，基于此，我们选取了我们课题组发展的截止吸收波长位于750 nm的PBDB-T:F-M体系作为前电池材料。从其紫外吸收光谱可以看出，两个子电池的吸收较为互补，有利于获得较高且匹配的J_sc，且其他参数也较为优异，可用于制备叠层器件。基于此，我们采取全溶液处理的改性PEDOT:PSS与氧化锌纳米粒子作为复合连接层制备了反向叠层器件，最终获得了17.36%的光电转换效率，刷新了当时本领域文献报道的最高值^[6]。

尽管基于非富勒烯受体的叠层有机太阳能电池已经取得了很大的进步，但总体的效率仍然偏低。从此半经验模型中亦可看出，其中，最为重要的就是需要设计筛选出合适的前后电池活性层材料，它们应有较低的E_loss，合适的吸光范围，即在保证其他性能参数如FF、EQE较好的前提下，后电池的吸光范围应尽可能红移，相反，前电池的吸光范围应尽量蓝移，使前后子电池的吸光更为互补，减少重叠，以获得较高的J_sc。近期，李永舫院士团队在明星受体分子Y6的中间单元和端基之间引入一个双键，以拓宽分子的吸收范围，设计合成了一个带隙仅为1.21 eV的新分子BTPV-4F^[7]。研究表明，基于PTB7-Th:BTPV-4F: PC₇₁BM的三元体系获得了13.4%的效率，其J_sc达到了28.9 mA cm^-2，FF较为适中，为69.3%，是一个较好的叠层器件的后电池体系，随后，通过搭配合适的前电池，最终基于此的叠层器件获得了16.4%的效率，其中，其J_sc达到了14.5 mA cm^-2，主要得益于此后电池材料较为红移的吸收光谱以及器件高的EQE响应。此外，除考虑前后子电池的吸光互补性及整体吸光范围的拓展来增加叠层器件的J_sc，黄飞教授课题组亦通过调节子电池的给受体比例来抑制其中的电荷复合，已达到同时提高叠层器件J_sc和FF的目的，进而提高了叠层器件的整体性能，效率达到了18.71%，其FF高达78%，证明了此策略的有效性^[8]。近日，我们课题组在高效叠层器件的构筑中，在保证前后子电池光谱互补且匹配的前提下，通过选用宽带隙的聚合物材料作为前后子电池的给体，构筑了同时具有高V_oc及较高且平衡的J_sc的叠层器件，获得了18.67%的效率，其V_oc为1.883 V，J_sc为13.99 mA cm^-2[9]。此外，侯剑辉研究员课题组通过改变活性层中给受体比例、薄膜厚度，及发展新型中间连接层，以调控子电池的光场分布，制备了一系列的高效叠层有机太阳能电池，并最终获得了20.2%的效率^[10]。上述结果可见叠层器件在高效有机太阳能电池的构筑中所具有的显著优势，极大地拉近了有机太阳能电池和其他光伏电池之间的差距。

目前，叠层有机太阳能电池的效率已达到20%，依据我们提出的半经验模型预测，相信通过更进一步的前后子电池的材料设计创新，中间连接层的创新发展，加之系统的器件优化，有机太阳能电池的效率会有望进一步提升。

总之，有机太阳能电池的诸多优势，如材料结构多样且能级易调，使其材料体系较丰富；其可溶液处理，对卷对卷印刷技术实现大面积生产更加友好，更利于工业化生产；质轻、柔性、半透明等突出优势，使其在光伏建筑一体化、柔性可穿戴电子器件等诸多领域具有重大的应用潜力。例如，塑料有机太阳能电池板的重量约为500 g/m²，较之硅电池板轻40倍左右，使之可以安装于建筑物正面或难以安全支撑标准太阳能电池板的建筑物屋顶（如自供电农业温室）；由于有机太阳能电池的厚度可以只有几毫米，因此，可以将半透明有机太阳能电池安装在屋子的窗玻璃内，以过滤掉一些阳光，同时将其转化为电能，实现节能建筑一体化。

目前，通过科学家们的不懈努力，有机太阳能电池已初见商业化应用曙光，但是和工艺成熟的无机太阳能电池相比，有机太阳能电池无论从能量转化效率、稳定性还是器件制备工艺等方面都处于发展阶段。为了提升有机太阳能电池的应用可行性，未来还需在活性层给受体材料、器件制备工艺等方面进行优化，进一步提升器件的效率、稳定性，从而实现高效、稳定的大面积印刷器件。

（1）在活性层材料方面，开发高效的活性层给受体材料是提升器件效率的主要策略之一。首先，发展新型的材料构筑单元，设计合成高效、低成本的给受体材料；其次，探索分子结构与材料能级、光谱吸收、分子堆积、共混膜微观形貌、器件物理以及光伏性能之间的多维关联，以建立光伏材料分子结构与器件性能之间的构效关系，以更加精确地调控分子结构，发展高效光伏材料。

（2）在器件稳定性方面，为了商业上的可行性，有机太阳能电池需在其循环周期内保持较为稳定的性能，实现长期稳定是太阳能电池技术应用的关键。首先，开发稳定的活性层/界面层材料尤为重要，这需要研究活性层/界面层材料在光、热降解方面的化学机制，以解决材料本身在光/热方面的稳定性问题；其次，需探索影响活性层稳定性的关键物理参数，揭示活性层微观形貌对器件稳定性影响的内在因素并发展相应的调控方法和策略，从而发展高效高稳定的有机太阳能电池。

（3）在大面积印刷器件方面，需发展适用于大面积工艺制备的高效材料体系，发展更加有效的模组设计策略以减少从小面积器件到大面积模组的效率损失，并开发合适的印刷或涂布方法，从而制备获得高性能的大面积有机太阳能电池模组。