IF：86.2！中科院福建物構所，最新Nature Reviews Materials！

有機太陽能電池將光捕獲與能量存儲功能集成于單一器件，當采用多孔有機材料時，更能實現高效的太陽能-電化學儲能轉換。盡管在材料與器件工程領域已取得顯著進展，但其電荷動力學特性與規模化應用仍面臨挑戰，需要進一步研究與優化以釋放其全部潛力。

太陽能-電化學儲能是繼光電轉換和光化學轉化之后太陽能利用的關鍵路徑之一。便攜式設備及下一代技術發展對高能量電池的需求持續增長，正推動著可持續太陽能儲能方案的探索。有機太陽能電池采用具有可調控光捕獲、電荷傳輸及氧化還原活性等功能的多孔有機材料，將光伏轉換與電化學存儲融合于單一器件，為實現直接儲能提供了可持續方案。通過將給體-受體結構與氧化還原活性位點耦合，這類材料能在表面實現激子與離子共同參與的原位激子-氧化還原反應，從而最大限度減少傳統光電化學系統中長程電荷傳輸的損耗。此外，其利用高能光子產生熱激子的能力以及亞帶隙吸收引發的局部熱效應，不僅拓寬了光譜利用范圍，還促進了熱力學上更有利的高電位氧化還原反應，推動了有機太陽能電池效率極限的突破。

然而，對多尺度結構-性能關系的認識不足制約了有機太陽能電池的實際應用。盡管已對其孔隙率、結晶度及電子特性進行了廣泛優化，但超快電荷生成、傳輸、復合與相對緩慢的電化學氧化還原反應之間的復雜相互作用仍未得到充分闡釋。超快電荷復合與緩慢電化學過程之間的時間失配進一步加劇了光子能量損失。除這些基礎性瓶頸外，實驗室成果向可制造、耐用器件的規模化轉化也亟待推進。

突破這些障礙需要從分子尺度到器件尺度的機理認知，并結合針對性優化與制備方法。中國科學院福建物質結構研究所王要兵研究員課題組在Nature Reviews Materials上發表題為“Optimization strategies for organic solar batteries”的評論文章，通過剖析有機太陽能電池的工作原理、電荷動力學及制備工藝，闡釋優化策略如何影響其性能與可擴展性。推動這些新興方向的發展，或將促使有機太陽能電池轉化為耐用、環境兼容且具備商業可行性的跨領域技術。

工作過程、電荷動力學與制備工藝

在有機太陽能電池的太陽光驅動充電過程中，光活性有機電極產生電子-空穴對，其中電子在陽極驅動還原反應（如質子化），空穴則氧化陰極（例如通過C=O向C–O?轉化）釋放質子，從而將太陽能以電化學形式存儲。其性能關鍵取決于電極材料。多孔有機材料因能在分子光電化學結中整合電荷分離結構與氧化還原活性單元而備受關注，這些結結構為激子和離子提供了可接觸的氧化還原表面，促進激子與質子的遷移交換，實現了高達12.1%的太陽能-電化學儲能效率，超越了傳統小分子、聚合物及無機材料。

在基礎動力學機制層面，激發態形成后，激子通過定制的電荷分離結構快速分離，形成高能電荷轉移激子。這些高能電荷轉移激子可通過質子耦合激子轉移等機制直接驅動離子耦合化學反應，避免傳統塊體材料中長程電荷傳輸的能量損失，并抑制快速復合至基態。然而，受限制的光電壓產生伴隨的巨大能量損失（ΔG，圖1a）構成了熱力學障礙。此外，電荷分離與氧化還原過程的時間失配因離子傳輸而加劇（圖1a），帶來動力學挑戰。這些固有局限凸顯了在分子層面建立質子耦合激子轉移動力學調控基礎設計原則的必要性。

除分子優化外，器件級工程也至關重要。一項前景廣闊的策略是采用3D打印叉指架構，將多孔有機材料與導電添加劑配制的電極墨水打印到基底上，經過冷凍干燥和水凝膠電解質精確沉積，實現圖案化制備。通過調控幾何結構可同步優化光子吸收與離子傳輸。精確調節光電極厚度與面積能平衡性能、降低能量損失，并支持輕量化可持續設計。優化將成為推動有機太陽能電池從實驗室原型走向實際應用的關鍵，助力克服能量密度、循環穩定性及可擴展性等挑戰。

圖1：有機太陽能電池的工作機制、優化策略及潛在應用。 a. 有機太陽能電池中反應過程的時間尺度示意圖。 b. 分子層面的優化策略。 c. 有機太陽能電池的潛在應用領域。 ΔE：活化能壘；ΔG：能量損失；ΔS：自旋差異；Δt：電荷分離與氧化還原過程的時間失配；CS：電荷分離態；ES：激發態；GS：基態；hν：光子能量；I：中間態；P：產物態。

面向商業化的優化策略

分子層面調控

多孔有機材料的分子可調性可用于推進有機太陽能電池發展。精確的分子設計能從根本上延長電荷分離態壽命并優化氧化還原動力學，提升整體光電化學儲能效率（圖1b）。增強自旋軌道耦合可驅動系間竄越至長壽命三重態，利用返回單重基態的自旋禁阻特性延緩電荷復合。通過定制聲子模式將振動能量導向反應位點，可有效降低活化勢壘，加速氧化還原動力學。同時，通過微環境調控構建快速質子傳輸通道能提升氧化還原反應速率。

電極材料

通過在不同尺度調控光電化學結、微調給體-受體結構、異質結結構及氧化還原或光電壓，可獲得適用于離網太陽能電池的高性能材料。例如萘四羧酸共價有機框架陰極中，定制的給體-受體單元實現了高效電子提取。協同的光致電荷轉移與長壽命電荷分離延長了電荷分離時間，提升了電壓輸出、電池效率（達38.7%）及太陽能-電化學儲能效率（0.08%）。

異質結能進一步提升性能。例如，針對光輔助鋰-有機電池開發的多孔有機籠主-客體結構（C60@POC）中，氧化還原活性電荷分離雙功能富勒烯陰極使往返效率提升24.2%，太陽能-電化學儲能效率達約1%6。類似地，碳納米管核殼異質結光陰極中的共價有機框架，相比原始框架將電荷分離態壽命提升近一倍，通過光耦合離子轉移機制在1個太陽光照下實現1.1%的太陽能-電化學儲能效率。該概念進一步拓展至采用雙光耦合離子轉移過程的對稱共價有機框架異質結器件，實現了長壽命激發態（1.5納秒）與定向傳輸，在56平方厘米器件中獲得6.9%的太陽能-電化學儲能效率。

太陽能-電化學儲能效率受限于全光譜利用不足及光電壓與氧化還原電位之間的能量失配。通過構建具有離子極化的強給體-受體結構，能以最小能量損失驅動熱激子高電位氧化還原反應；同時引入光熱基元，通過激子-聲子耦合捕獲近紅外光，降低ΔE并提升反應速率。該策略實現了12.1%的創紀錄太陽能-電化學儲能效率、11.2毫安/平方厘米的光電流以及可擴展的200平方厘米疊層器件，彰顯了有機太陽能電池的商業潛力。實驗室測量表明，基于此設計的優化有機太陽能電池有望將太陽能-電化學儲能效率提升至20%。類比雙功能陰極，基于萘二酰亞胺共價有機框架的雙功能陽極（空穴提取）材料可作為水性有機太陽能電池中的光陽極，同步實現光捕獲與電荷存儲釋放，促進按需發電。

新興機遇

有機太陽能電池通過將光捕獲與存儲功能無縫融入日常生活，有望從根本上重塑人類與能量的交互方式（圖1c）。在不遠的將來，嵌入衣物或直接貼附于皮膚的超薄柔性薄膜可利用環境光持續為健康監測設備供電，擺脫對傳統電池的依賴。該模式可擴展至交通領域，集成在車窗中的透明叉指光充電陣列將被動產生并存儲能量，補充電力系統并降低能耗。更大規模上，屋頂部署的可流動有機太陽能電池或將變革家庭能源系統，提供大容量太陽能存儲。將這些前景廣闊但技術要求高的概念轉化為實際應用，需要學界、產業界與資助機構的緊密協作，共同攻克可擴展性、性能、安全性與可持續性等挑戰。