有機太陽電池採用共軛聚合物和分子半導體做為吸光材料，具有質輕、柔性、可溶液加工和吸光帶隙連續可調等優點，在建築集成光伏等領域具有應用前景。其中，半透明有機太陽電池（ST-OSC）可通過調製光電性能從而適用於不同的光伏應用場景，例如發展光伏發電玻璃需要兼顧太陽電池能量轉換效率、可視透明和美學等性能參數，其科學問題在於如何實現電池的光伏與光學性能參數的最優平衡，關鍵在於精準調製光伏器件的透過光譜，同時保持吸光波段的高光電轉換效率。前期工作中，浙江大學有機半導體研究室李昌治課題組通過對電極、界面、光敏層和光子晶體一體化集成設計，與華南理工葉軒立課題組光學模擬計算合作，成功製備了一類可視透明、紅外反射隔熱的多功能有機太陽電池，光電轉換效率達到12%、平均可見透過率為23%、紅外光子反射率可達90%（Chin. Chem. Lett. 2020, 31, 1608-1611；Adv. Mater. 2020, 32, 2001621）。對於建築集成的光伏玻璃，其裝飾美學功能與能量轉換效率具有同等重要的意義。通常，多彩半透明有機太陽電池（Colorful ST-OSCs）可利用不同顏色的光活性層和透明電極製備，但這類器件在整個可見光區吸收寬泛，顏色不易調節。另一方面，透明電極，例如氧化銦錫和超薄金屬由於不具備光譜選擇性透過的特性，會造成非可見光區的光譜透過損失，從而降低半透明太陽電池的能量轉換效率。因此，發展兼具高能量轉換效率和高透過峰值的多彩半透明有機太陽電池具有一定挑戰性。
本工作中，浙江大學有機半導體研究室李昌治課題組與華南理工大學葉軒立團隊合作，實現了一類能量轉換效率（PCE）達到14%和可見透過峰值（TMAX）超過30%的多彩半透明有機太陽電池。李昌治課題組在研究中發現，一類自主開發的自摻雜富勒烯導電衍生物不僅具有優異的電子輸運能力，同時得益於富勒烯吡咯烷銨碘鹽與銀原子之間的親和作用，可以誘導沉積超薄銀電極形成均一連續的薄膜，通過工藝優化可成功獲得具有高可見透過率、高導電率及低表面粗糙度的超薄金屬透明電極，在一定程度上提升了器件的光伏性能和光學性能。通過在薄層銀電極上沉積蒸鍍具有高折射率（n = 2.2）的透明介電層TeO2和薄層金屬Ag構建了 「三明治」型（Ag/TeO2/Ag）的法布裡-佩羅光學諧振腔（Fabry–Pérot cavity），利用其對可見光區光譜幹涉調製作用，成功實現對可見區透過譜精準調製，分別達成紅（620-770 nm）、綠（500-530 nm）和藍（430-470 nm）光譜的選擇性透過。
新型的多彩半透明有機太陽電池通過正型器件製備得到，具體結構包括了：玻璃ITO/PEDOT:PSS/PM6:Y6光活性層/Bis-FIMG/Ag/TeO2/Ag。華南理工大學團隊基於傳輸矩陣法對全器件結構進行了詳細的光學模擬計算，構建器件性能-結構函數關係[JSC100%IQE, VLT, (x, y), CRI, max(T380-780)] = f (tBHJ, tAg, tTeO2, tAg)，遍歷活性層、Ag和TeO2厚度變量，模擬優化理想條件下的器件光伏和光學性能，優選得出最優器件結構的各層厚度。基於光學模擬指導，浙江大學團隊在實驗中成功製備了具有藍、綠、紅三色及不同色飽和度的多彩半透明有機太陽電池。結果顯示，基於不同顏色的半透明有機太陽電池可獲得與不透明器件相差無異的開路電壓及填充因子，進一步證明基於富勒烯傳輸層製備得到的Ag/TeO2/Ag諧振腔電極具有等同於厚銀電極的電子收集效率和電極功函。多彩器件的透過光譜波峰與光電轉換外量子效率（EQE）譜波谷準確對應，說明通過對電極、界面、光敏層的精準調製可實現器件光學與光電性能的優化平衡。最終，該工作實現了基於單一光活性層的多彩半透明光伏器件，呈現出不同顏色、透過及色飽和度，分別獲得TMAX為31.0%、PCE為14.04%的藍色ST-OSC，TMAX為21.8%、PCE為14.60%的綠色ST-OSC，以及TMAX為25.2%、PCE為14.28%的紅色ST-OSC。該工作為發展高性能多彩半透明有機太陽電池提供了一種可行方法，在建築集成的光伏玻璃幕牆方面具有應用前景。
相關工作在線發表在ACS Energy Letters（DOI: 10.1021/acsenergylett.0c01554）上。