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國科大Nat. Mater.：OPV 21%效率新紀(jì)錄！雙組分協(xié)同增效混合界面使OSCs性能飆升

發(fā)表時間：2025-07-31 11:33

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主要內(nèi)容

陰極界面層（CIL）作為有機太陽能電池（OSCs）的關(guān)鍵功能層，其性能直接決定了電子提取效率與電荷復(fù)合損失，進而深刻影響著器件的光電轉(zhuǎn)換效率與長期穩(wěn)定性。然而，傳統(tǒng)CIL材料普遍面臨導(dǎo)電性不足、界面缺陷密度高、薄膜形貌可控性差等瓶頸問題，嚴(yán)重制約了OSCs的商業(yè)化進程。

雙組分協(xié)同設(shè)計：無機-有機雜化界面層的創(chuàng)新構(gòu)建

針對傳統(tǒng)陰極界面層（CIL）導(dǎo)電性不足與界面缺陷密布的難題，研究團隊通過無機-有機雙組分協(xié)同策略，開發(fā)了基于二維非晶氧化鋅（2D A-ZnO）與PNDIT-F3N的共價交聯(lián)雜化材料（AZnO-F3N）。該設(shè)計實現(xiàn)了功能互補：

垂直電子通道：2D A-ZnO納米片構(gòu)建高遷移率電子傳輸路徑，表面氧空位與PNDIT-F3N的氰基形成強相互作用，鈍化界面缺陷；

致密薄膜形貌：PNDIT-F3N的剛性共軛骨架誘導(dǎo)形成均勻薄膜，將界面電阻降低至傳統(tǒng)材料的1/3以下；

三維互穿網(wǎng)絡(luò)：透射電鏡證實2D A-ZnO均勻分散于有機矩陣中，形成高效電荷傳輸通道。

此設(shè)計突破了單一組分材料的性能局限，為界面層開發(fā)提供了原子級精準(zhǔn)調(diào)控的新思路。

性能突破：高效穩(wěn)定的光電轉(zhuǎn)換與普適應(yīng)用

實驗驗證了AZnO-F3N在提升有機太陽能電池（OSCs）性能中的顯著優(yōu)勢：

效率躍升：在D18:L8-BO二元體系中，短路電流密度達19.8 mA/cm2，填充因子突破82.5%，實現(xiàn)20.6%的PCE；引入BTP-eC9構(gòu)建三元體系后，PCE進一步提升至21.0%（認(rèn)證值20.8%），媲美鈣鈦礦電池水平；

普適兼容性：在PM6:Y6、PBDB-T:ITIC等經(jīng)典活性層中均實現(xiàn)效率提升，厚膜（300 nm）與柔性器件的效率衰減較傳統(tǒng)界面層減少超40%；

長期穩(wěn)定性：加速老化測試顯示，AM1.5G光照下連續(xù)工作1000小時后仍保持92%初始效率，光穩(wěn)定性顯著優(yōu)于有機小分子界面層。

這些成果彰顯了AZnO-F3N在工藝兼容性與產(chǎn)業(yè)化潛力方面的雙重優(yōu)勢。

機理洞察與戰(zhàn)略意義：開啟高穩(wěn)定性O(shè)SCs新時代

機理研究揭示了AZnO-F3N性能提升的深層原因：

缺陷鈍化機制：X射線光電子能譜證實界面處Zn-N配位鍵的形成，有效抑制電荷復(fù)合；

復(fù)合損失抑制：光致發(fā)光光譜顯示非輻射復(fù)合損失降至1.2×10? cm2/s，較傳統(tǒng)材料降低一個數(shù)量級；

結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性增強：三維互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)提升了薄膜機械強度，為柔性電子與建筑光伏應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

本研究提出的“無機骨架-有機修飾”雜化概念，不僅突破了傳統(tǒng)界面工程的性能極限，更為開發(fā)高穩(wěn)定性、高兼容性的OSCs提供了通用設(shè)計框架，對推動有機光伏技術(shù)從實驗室走向產(chǎn)業(yè)化具有重要戰(zhàn)略意義。

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文獻信息

Organic solar cells with 21% efficiency enabled by a hybrid interfacial layer with dual-component synergy

Congqi Li, Yunhao Cai, Pengfei Hu, Tao Liu, Lei Zhu, Rui Zeng, Fei Han, Ming Zhang, Meng Zhang, Jikai Lv, Yuanxin Ma, Dexia Han, Meng Zhang, Qijie Lin, Jingwen Xu, Na Yu, Jiawei Qiao, Jiarui Wang, Xin Zhang, Jianlong Xia, Zheng Tang, Long Ye, Xiaoyi Li, Zihao Xu, Xiaotao Hao, Qian Peng, Feng Liu, Lin Guo & Hui Huang