国科大Nat. Mater.：OPV 21%效率新纪录！双组分协同增效混合界面使OSCs性能飙升
2025-07-31
主要内容
阴极界面层（CIL）作为有机太阳能电池（OSCs）的关键功能层，其性能直接决定了电子提取效率与电荷复合损失，进而深刻影响着器件的光电转换效率与长期稳定性。然而，传统CIL材料普遍面临导电性不足、界面缺陷密度*、薄膜形貌可控性差等瓶颈问题，严重制约了OSCs的商业化进程。
01
双组分协同设计：无机-有机杂化界面层的创新构建
针对传统阴极界面层（CIL）导电性不足与界面缺陷密布的难题，研究团队通过无机-有机双组分协同策略，开发了基于二维非晶氧化锌（2D A-ZnO）与PNDIT-F3N的共价交联杂化材料（AZnO-F3N）。该设计实现了功能互补：
垂直电子通道：2D A-ZnO纳米片构建*迁移率电子传输路径，表面氧空位与PNDIT-F3N的氰基形成强相互作用，钝化界面缺陷；
致密薄膜形貌：PNDIT-F3N的刚性共轭骨架诱导形成均匀薄膜，将界面电阻降低至传统材料的1/3以下；
三维互穿网络：透射电镜证实2D A-ZnO均匀分散于有机矩阵中，形成*效电荷传输通道。
此设计突破了单一组分材料的性能局限，为界面层开发提供了原子级精准调控的新思路。
02
性能突破：*效稳定的光电转换与普适应用
实验验证了AZnO-F3N在提升有机太阳能电池（OSCs）性能中的显著优势：
效率跃升：在D18:L8-BO二元体系中，短路电流密度达19.8 mA/cm²，填充因子突破82.5%，实现20.6%的PCE；引入BTP-eC9构建三元体系后，PCE进一步提升至21.0%（认证值20.8%），媲美钙钛矿电池水平；
普适兼容性：在PM6:Y6、PBDB-T:ITIC等经典活性层中均实现效率提升，厚膜（300 nm）与柔性器件的效率衰减较传统界面层减少超40%；
长期稳定性：加速老化测试显示，AM1.5G光照下连续工作1000小时后仍保持92%初始效率，光稳定性显著优于有机小分子界面层。
这些成果彰显了AZnO-F3N在工艺兼容性与产业化潜力方面的双重优势。
03
机理洞察与战略意义：开启*稳定性OSCs新时代
机理研究揭示了AZnO-F3N性能提升的深层原因：
缺陷钝化机制：X射线光电子能谱证实界面处Zn-N配位键的形成，有效抑制电荷复合；
复合损失抑制：光致发光光谱显示非辐射复合损失降至1.2×10⁴ cm²/s，较传统材料降低一个数量级；
结构稳定性增强：三维互穿网络结构提升了薄膜机械强度，为柔性电子与建筑光伏应用奠定基础。
本研究提出的“无机骨架-有机修饰”杂化概念，不仅突破了传统界面工程的性能极限，更为开发*稳定性、*兼容性的OSCs提供了通用设计框架，对推动有机光伏技术从实验室走向产业化具有重要战略意义。
文献信息
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
https://www.nature.com/articles/s41598-025-93786-9
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