具有强鲁棒膜厚容差的可扩展半透明有机太阳能电池，面向建筑一体化光伏

会发电的窗户

想象一下办公楼或住宅的玻璃既能让光进入，又能像安静且隐形的发电厂一样产生电力，甚至帮助保持室内凉爽。该研究展示了如何使用既透明又高效的有机太阳能电池来构建这样的“发电窗”，并且能够以适用于真实建筑的尺寸和膜厚进行制造。

为何可见透光的太阳能电池难以实现

传统太阳能电池为不透明，以尽可能吸收光来最大化发电。半透明有机太阳能电池必须在两者之间取得微妙平衡：既要让足够的可见光通过以保持窗户的属性，又要捕获足够的光以产生有用的电能。到目前为止，这通常迫使研究人员使用极薄的活性层——小于80纳米——并在受控的实验室条件下用含卤溶剂制备。这些脆弱的超薄薄膜在微小测试电池上有效，但在大面积上难以复制。当放大到窗户尺寸的模块时，其性能通常崩溃，最终面板中仅保留了电池级效率略高于一半的水平。

用于厚型透明发电窗的新配方

该团队从两个方向解决了这一问题。首先，他们在吸光层采用“供体稀释”策略，减少主要吸收可见光的供体材料比例、增加在该波段更透明但在近红外仍有活性的受体材料比例。其次，他们没有采用旋涂小器件，而是使用槽模涂布——一种类似印刷的可覆盖大面积的方法——并在常温常压空气中使用一种无卤、温和的溶剂。以特定的供体–受体对PM6:Qx-p-4Cl为例，他们将供体与受体的比例调至1:3，并证明即使是相对较厚的薄膜（约120–300纳米）也能保持半透明性并同时提供强劲的电学性能。在1平方厘米的器件中，对于较薄的薄膜，他们实现了超过4%的光利用效率；而对于比常规设计厚三倍以上的薄膜，效率约为3%，同时平均可见透光率保持在约三分之一到二分之一之间。

显微结构如何实现这一点

为理解这些较厚且被稀释的薄膜为何表现良好，研究者探究了它们的内部结构以及干燥过程中如何形成。使用传统旋涂且受体含量高时，受体分子会聚成大而僵硬的区域，与供体接触不良，造成电荷传输瓶颈。相反，当同一混合物通过槽模涂布并涂在加热的基底上时，分子在液态阶段即重新组织，形成细密交织的窄纤维状域网络，即便在供体被大量稀释时这些域的尺寸仍保持相似。对激发态如何迁移并分离成电荷的测量表明，该网络几乎不受混合比例影响，能够保持快速的电荷产生与传输。关键在于，激发态能传播的典型距离略大于这些纤维的宽度，因此大部分被吸收的能量可以到达界面并被转化为可用电荷。

从实验室器件到现实窗模块

由于活性层结构即使在较厚时也保持稳健，小型测试电池的性能能异常良好地传递到大尺寸模块。研究团队制备了一个100平方厘米的半透明模块，由23个串联子电池组成，在保持约三分之一可见光透过的同时实现了超过10%的光电转换效率。该全尺寸模块的效率保留了单芯片测得效率的大约85%，这一水平此前仅在不透明有机模块中见到。他们随后将六个此类模块集成到一个600平方厘米的“窗户”中置于比例模型房屋内，该窗户同时为小型显示器供电、为锂离子电池充电，并阻挡了大部分近红外热，显著减缓了在模拟阳光照射下室内温度的上升。

这对日常建筑意味着什么

对非专业读者来说，核心信息是：现在可以设计出既较厚又对制造有较大容差、且可扩展到窗户尺寸而不大幅丧失性能的可见透光有机太阳能涂层。通过仔细调整材料配比以及薄膜的印刷与干燥方式，作者们构建了一个稳定的纤维状内部网络，即使在不再超薄的情况下仍能良好工作。因此，大型半透明面板既能像真实窗户一样外观和功能，同时产生可观的电力并有助于热管理。这推进了未来建筑玻璃立面常规提供电力、存储能量并改善舒适性的前景——而无需牺牲视野或采光。

引用: Wang, T., Fang, J., Zhang, H. et al. Scalable semitransparent organic solar cells with robust film thickness tolerance for building-integrated photovoltaics. Nat Commun 17, 2916 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69537-3

关键词: 半透明太阳能电池, 建筑一体化光伏, 有机光伏, 太阳能窗户, 槽模涂布