文章主要内容

       西安交通大学材料科学与工程学院闫晗教授团队对分子掺杂半透明有机太阳能电池研究进展进行了综述。文章针对活性层中给体含量下降引起的器件透光率与光伏转换效率之间的核心矛盾，综述了近年来以分子掺杂为破解方法的半透明有机太阳能电池研究进展。文章围绕如何实现有机太阳能电池的活性层分子掺杂及分子掺杂如何优化非理想形貌下的光伏两个问题展开；依次介绍了分子掺杂机理、掺杂剂分布调控、掺杂改善电荷收集和掺杂促进激子解离四方面内容。文末，展望了活性层掺杂有机太阳能电池未来发展所面临的三大挑战。

文章背景

随着分子材料设计、微观形貌调控、工艺方法改进和器件结构优化，有机太阳能电池最的光电转化效率(PCE)已接近21%，逐渐缩减与其它薄膜太阳能电池间的效率差距。在此基础上，有机太阳能电池在半透明光伏应用领域展现出了独特的优势。

为实现高透光率，半透明有机太阳能电池常采用给体稀释活性层。该策略在提高平均可见光透过率(AVT)的同时，往往会导致器件光电转换效率(PCE)下降。PCE性能下降的主要原因来自于组分减少对微观形貌的破坏。分子掺杂是改善有机半导体材料电学性能的重要手段，尽管其已在有机场效应晶体管和有机热电器件中得到成功应用，但其在有机太阳能电池中的应用仍然面临着不少挑战。

文章概述

       文章首先介绍了有机光伏器件中常用的分子掺杂剂和掺杂机理。掺杂过程中，根据电子转移方向分别定义P型和N型掺杂；转移电子数可以为整数，也可以为分数。整数电荷转移的产物是半导体和掺杂剂离子对，分数电荷转移的产物是半导体-掺杂剂复合物。分子掺杂所需的电子转移与化学反应过程相似；因而类比化学反应机制，分子掺杂主要分为氧化-还原反应和酸-碱反应两类(图1)。

图1 (a) 氧化-还原掺杂和酸-碱掺杂示意图; (b) 常用掺杂剂的分子结构。

在多元共混活性层薄膜中，有效掺杂的前提首先为掺杂剂与光伏材料的极性匹配；即P型掺杂剂分布到给体材料中，N型掺杂剂分布到受体材料中。为控制掺杂剂分布，科学家分别开发了顺序掺杂和固溶辅助掺杂两种工艺。当给体含量偏离最优比例时，器件首先会因空穴传输通道减少，出现电荷收集问题，引起器件填充因子(FF)损失。此时，分子掺杂可通过缺陷态填充和重构内建电场分布，针对性地克服电荷收集损失。当给体含量进一步降低时(通常质量分数低于10%)，器件会因异质结面积减少，出现激子损失问题，引起器件短路电流(J_SC)损失。此时，分子掺杂可通过调控有机半导体材料载流子密度和能级位置，提升器件的激子利用率。

图2 给体稀释对器件形貌的影响及分子掺杂对性能的改善。

不同于经典的材料设计和形貌调控，分子掺杂从半导体器件设计的视角，为有机太阳能电池的发展和应用提供了新的动力。当前，活性层掺杂有机太阳能电池仍处于发展阶段，未来仍需针对分子掺杂效率、双极性掺杂及高浓度掺杂等关键问题开展研究。

本文为“能源高分子材料”专辑特约稿件，上述工作以综述形式在《高分子学报》印刷出版。

王泽宇, 闫晗.分子掺杂半透明有机太阳能电池研究进展 .高分子学报, doi: 10.11777/j.issn1000-3304.2025.25062Wang, Z. Y.; Yan, H.Progresses of molecularly doped semitransparent organic solar cells.Acta Polymerica Sinica, doi: 10.11777/j.issn1000-3304.2025.25062CSTR: 32057.14.GFZXB.2025.7399