探索未来能源的无限可能—有机光伏（OPV）篇 008

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探索未来能源的无限可能—有机光伏（OPV）篇

008 梦想照进现实：有机光伏的发展简史与里程碑 2025-09-21

有机光伏（OPV）从实验室的科学好奇到成为柔性、轻质新能源代表的历程，是一场跨越百年的科学探索与技术创新之旅。下面是有机光伏发展的里程碑，帮你快速了解它的发展脉络：


早期探索与科学基础

有机光伏的起源可以追溯到近两个世纪前的科学发现。

1839年，法国科学家E. Becquerel在实验中首次观察到液体的光生伏特效应（光伏现象）。

1904年，爱因斯坦发表了关于光电效应的理论论文，并因此获得1921年诺贝尔物理奖。

其后，科学家们对多种材料的光电特性进行了探索。

然而，一个颠覆性的观念直到20世纪70年代才被打破：聚合物等有机材料长期以来被视为绝缘体，但导电聚合物的发现改变了这一切。

1977年，美国科学家Alan J. Heeger、Alan G. MacDiarmid和日本科学家白川英树（Hideki Shirakawa） 合作，发现对聚乙炔进行碘掺杂后，其电导率呈现出金属般的特性。这一开创性工作证明了有机聚合物也可以是导电的，彻底打开了有机电子学的大门。他们也因“发现和发展导电聚合物”共同获得了2000年诺贝尔化学奖。他们的研究为后来所有有机电子器件，包括有机发光二极管（OLED）、有机场效应晶体管（OFET）和有机光伏（OPV） 提供了最基础的材料可能性和理论启发。


现代OPV的诞生与初期发展

在导电聚合物的基础上，现代有机太阳能电池的探索得以展开。

1986年，当时在原美国柯达公司的邓青云（Ching W. Tang） 博士研制成功了首个具有双层结构的有机光伏器件，光电转换效率约为1%。这被视为现代OPV研究的开创性工作。

然而，由于早期效率低、稳定性差，OPV研究在随后一段时间进展缓慢。

关键突破与效率飞跃

进入21世纪，新材料和新技术推动OPV进入快速发展阶段。

1995年，俞刚等人开发了体异质结（BHJ）活性层器件结构。它通过给体（D）和受体（A）材料在纳米尺度上形成互穿网络，显著增加了激子分离的界面，从而提高了电荷产生效率，是OPV领域的一个关键技术突破。

材料创新驱动效率提升：OPV的发展很大程度上得益于活性层材料的不断创新。

富勒烯受体（如PC₆₁BM）在早期主导了OPV受体材料领域。

近年来，非富勒烯受体（NFA）（如ITIC、Y6）因其吸收光谱、能级和稳定性可调等优势，逐渐取代富勒烯，成为研究主流，并大幅推高了效率纪录。


中国科研力量的贡献：中国科学家在OPV效率的提升上做出了许多里程碑式的贡献。

南开大学陈永胜教授团队长期致力于OPV研究，他们开创了“给体—受体—给体”（A-D-A）构架的溶液可处理高效寡聚小分子光伏材料设计理念。

2018年，陈永胜团队设计和制备的叠层有机太阳能电池实现了17.3%的光电转化效率，刷新了当时的世界纪录。

2019年，邹应萍团队报道了基于A-DA'D-A型NFA（Y6） 的OPV器件，效率超过15%。Y6及其衍生物成为后续高效率OPV器件最常用的受体材料之一。


当前效率纪录：通过全球科研人员的努力，OPV的效率持续攀升。基于Y系列受体等的器件不断突破，目前实验室效率已超过19%，叠层器件效率更是超过了20% 的门槛。


产业化进程与未来展望

尽管实验室效率不断刷新，但OPV走向产业化还面临效率、稳定性、成本和大规模制备等挑战。

产业化尝试：许多团队正致力于解决OPV产业化面临的问题，如稳定性、模组性能和潜在应用（如室内光伏、建筑一体化光伏） 等。

2025年，中国公司追光科技宣布其全球首条650*550 mm²有机光伏（OPV）模组量产线（"星河一号"）在广州高新区正式启动。该产线具备高度灵活性，能提供定制化的模组尺寸，产品厚度可控制在1毫米以内，契合室内场景等应用需求。这标志着OPV向大规模商业化应用迈出了至关重要的一步。


挑战与未来方向

OPV技术要真正实现大规模商业化应用，还需在以下方面持续努力：

提升效率与稳定性：目前实验室效率已超19%，但仍需继续提高，并解决材料长期稳定性问题。

降低成本：通过新材料开发和印刷工艺优化，进一步降低制造成本。

拓展应用场景：利用其柔性、轻质、半透明甚至全透明，以及可制备成不同颜色的特点，OPV在建筑一体化光伏（BIPV）、可穿戴设备电子、室内光伏（为物联网设备供电） 等领域具有独特优势和巨大潜力。

新技术融合：如利用机器学习加速新材料的设计和器件工艺的优化。


有机光伏的发展史，是从基础科学发现到材料科学突破，再到工程技术推进的历程。它从效率仅1%的科学好奇，发展到今天效率逼近20%、并开启产业化探索的新能源技术。

尽管未来仍有挑战，但随着技术的不断成熟和应用的拓展，有机光伏有望凭借其轻质、柔性、半透明等独特优势，在未来的能源格局中扮演一份角色，为我们的生活带来更多可能。