来源：eScience编辑部

1. 综述了基于不同柔性透明电极的柔性有机太阳能电池的研究进展；

2. 介绍了大面积柔性有机太阳能电池及其应用；

3. 介绍了柔性有机太阳能电池目前存在的挑战和发展前景。

有机太阳能电池（OSCs）具有柔性、质轻、低成本和可大面积印刷制备等优点，是一种极具发展前景的绿色能源技术。OSCs近年来取得了重大进展，能量转换效率（PCE）超过了19%。相比于无机光伏电池，柔性是OSCs的本征特点和优点。近年来，柔性OSCs（F-OSCs）受到了极大的关注，其在光伏建筑一体化、可穿戴电子器件等领域具有十分广阔的应用前景。

近年来，F-OSCs研究取得了较大进展。通过优化柔性透明电极（FTEs）性能，其与刚性OSCs之间的效率差距不断缩小；同时，新型高效活性层材料的发展亦推动了柔性器件效率的不断提升。本文主要总结了近五年F-OSCs领域的重要进展。首先，简要介绍了F-OSCs的构成；然后，从FTEs的角度总结了F-OSCs的最新进展；接下来，简要介绍了大面积F-OSCs的最新发展及其潜在应用；最后，提出了F-OSCs发展面临的挑战与应对策略。

一、F-OSCs的结构与组成

F-OSCs的典型结构如图1所示，其由五层组成，即FTEs，电子传输层（ETL），活性层，空穴传输层（HTL）和背电极。从器件结构的角度来看，柔性和传统刚性OSCs之间的差别是FTEs。因此，要获得高性能的F-OSCs，FTEs是关键。一般来说，用于F-OSCs的透明电极应具有以下特性：1）高电导率，以降低串联电阻；2）高透光率，保证足够的光子到达活性层；3）表面粗糙度低，避免器件短路；4）合适的功函数，以保证电荷提取；5）良好的柔性及耐弯折性；6）成本低；7）与溶液印刷技术兼容。

除FTEs外，其他组成部分在F-OSCs的性能中也起着十分重要的作用。但在FTEs的问题没有完全得到解决之前，领域内对它们的关注较少。近年来，随着FTEs性能的不断改善与提升，F-OSCs其它组成部分的研究亦开始引起领域内的重视。

图1. F-OSCs的典型器件结构。

二、用于F-OSCs的FTEs

目前领域内常用的FTEs主要有：1）氧化铟锡（ITO），2）导电聚合物，3）银纳米线，4）金属网格和超薄金属和5）石墨烯这几大类。

ITO   由于高透光率、低电阻和低粗糙度，ITO是OSCs中使用最广泛的透明电极。然而，基于ITO的FTEs由于其脆性、高成本和铟的稀缺性，并不是F-OSCs的理想选择。基于ITO的F-OSCs在重复弯曲恢复后会产生裂纹，且电阻显著增加，导致性能急剧下降。此外，市售的柔性ITO基底的耐受温度与器件各层组分之间的退火温度的兼容性等还要考虑。尽管柔性ITO存在以上各种问题，但因其商业可得且器件性能重现性好，仍然是当前制备F-OSCs的主要电极材料。

导电聚合物   聚(3,4-乙烯二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸（PEDOT:PSS）是研究最广泛的导电聚合物，其具有电导率和功函可调、高柔韧性、易于溶液加工和商业易得等优点。其中，市售型号为Clevios PH1000的PEDOT:PSS具有最高的导电性，基于该型号PEDOT:PSS透明电极的F-OSCs研究比较广泛。但是，其电导率仍然远低于ITO。为此，研究人员发展了酸处理、掺杂等多种方法来提高PH1000的导电性并获得了较好的结果。但PH1000柔性电极导电性和透光性之间的平衡仍然制约了相应F-OSCs的性能。此外，PEDOT:PSS的酸性对OSCs的长期稳定性亦有较大影响。

银纳米线   因具有高透光率和高导电性、优异的柔韧性和可溶液加工性等优点，银纳米线（AgNWs）FTEs近年来研究较多，取得了较大的研究进展，展现出很好的发展前景。如，陈永胜教授研究团队向水系AgNWs分散液中引入聚苯乙烯磺酸钠，制备了“类网格”结构的柔性透明电极（FlexAgNEs），具有低的面电阻、高透光性和低表面粗糙度，基于该电极的F-OSCs获得了与刚性器件相当的效率；李永舫院士和李耀文教授团队提出了“可控还原—化学焊接”策略，通过向AgNWs溶液中引入具有还原性的离子液体和AgNO3，制备了类“钢筋混凝土”结构的新型FTEs，获得了效率超过17%的F-OSCs（图2所示）。

金属网格和超薄金属   金属网格，特别是基于银网格的FTEs，被广泛用于有机光电器件中。然而，由于金属网格和塑料基板之间的导电异质性和浸润性的影响，需要修饰层来改性表面并促进电荷收集。超薄金属，尤其是超薄金属Ag，由于高导电性和良好的透光率，也可以用作FTEs。然而，其真空蒸镀工艺成本较高，不适合大面积F-OSCs模组的制备。

石墨烯   因具有高透光性和导电性以及与有机材料的低接触电阻，石墨烯可用作透明电极应用于柔性有机电子器件。然而，基于石墨烯的电极在电导率和透光率之间存在平衡，较大程度地限制了其在F-OSC中的应用。

图2. （a, b） 由含有PSSNa的AgNWs悬浮液制备的FlexAgNEs薄膜表面SEM图像和截面SEM图像；

（c）大面积PET/Ag/Cu电极图片和示意图。

如上所述，F-OSCs的性能（包括效率和耐弯曲性能等）在很大程度上取决于使用的FTEs。尽管在过去十年中人们发展并优化了多种类型的FTEs用于F-OSCs的研究，但是迄今没有一种柔性电极能够完全满足高效F-OSCs的所有要求。因此，发展获得高性能的FTEs仍然是制备高效F-OSCs需要优先考虑的问题。

三、大面积F-OSCs

近年来，F-OSCs的研究主要集中在实验室原型小面积（< 0.1cm2）器件。随着有机光伏器件性能的不断提升，高性能大面积F-OSCs的研究越发重要，也是将来有机光伏在建筑一体化、农业温室和可穿戴的器件等领域获得应用的前提。实际上，领域内大面积F-OSCs的研究在富勒烯受体时期就已开始，受限于材料和工艺，其效率普遍偏低。近年来，随着非富勒烯受体的快速发展，OSCs的效率大幅提升，实验室刚性原型小面积器件效率超过19%，有力促进了大面积F-OSCs的发展，目前1 cm2的大面积F-OSCs效率已达到16.71%，54 cm2的F-OSCs模组效率已超过13%（图3所示）。

图3. （a）完全印刷的OSCs的器件结构；（b, c）大面积F-OSCs的照片；（d）建筑中的可视化光伏窗；（e）零能耗温室示意图；（f）衬衫上柔性有机光伏器件的清洗过程照片。

四、F-OSCs的挑战与展望

尽管F-OSCs近年来取得了较大进展，然而若走向实际应用，仍然面临诸多挑战，主要有：1）效率相对较低；2）稳定性不理想；3）成本高。在效率方面，应主要以降低开路电压损失为目的，设计新的活性层材料，同时需要获得兼具低电阻、高透光性和低表面粗糙度的高性能FTEs；在稳定性方面，需要从界面稳定性和活性层形貌稳定性出发进行深入细致的研究，同时针对柔性器件，要充分考虑其耐弯折稳定性；在成本方面，活性层材料和柔性电极的成本占据F-OSCs成本的大部分，开发低成本且高性能的活性层材料和电极材料是商业化应用必须考虑的问题。

F-OSCs具有柔性、半透明、可大面积印刷制备等优点，作为一种绿色能源技术，其在建筑一体化和新一代电子器件等方面具有广阔的应用前景。近年来，有机太阳能电池研究发展迅速，在活性层材料设计、器件优化和机理研究等方面均获得了巨大进展，极大推动了F-OSCs各方面材料创新及器件性能的提升。随着FTEs性能的不断提升以及人们对F-OSCs研究的不断深入，有机太阳能电池实现商业化将指日可待。

Recent progress in flexible organic solar cells

Shitong Li, Zhixiang Li, Xiangjian Wan*, Yongsheng Chen

eScience 3 (2023) 100085

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2667141722001240

通讯作者 万相见 教授

万相见，南开大学化学学院教授，博士生导师。主要研究方向为有机太阳能电池材料与器件。近年来在Science，Nature Photon.，Adv. Mater.，Angew. Chem. Int. Ed.等期刊发表论文130余篇，他引17600余次，2019-2022连续入选科睿唯安全球高被引学者。