高效有機(jī)太陽(yáng)能電池突破21%效率壁壘

有機(jī)太陽(yáng)能電池（OSCs）憑借聚合物給體和非富勒烯受體的發(fā)展，近年來效率已突破20%，但仍落后于鈣鈦礦和硅基太陽(yáng)能電池。其核心瓶頸在于較低的開路電壓和填充因子，根源是陰極界面層（CIL）的導(dǎo)電性不足、電荷復(fù)合率高及形貌不均等問題。傳統(tǒng)有機(jī)CIL易因形貌缺陷導(dǎo)致電流泄漏，而無機(jī)金屬氧化物CIL的制備依賴高能耗工藝，制約了大規(guī)模應(yīng)用。

合成創(chuàng)新與結(jié)構(gòu)驗(yàn)證

研究團(tuán)隊(duì)首創(chuàng)"界面限制配位法"，以氧化亞銅納米片為模板，通過配體刻蝕和沉淀合成氫氧化鋅納米片，再經(jīng)脫水獲得超薄二維非晶氧化鋅（2D A-ZnO）。電鏡圖像顯示其呈褶皺紗網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，尺寸達(dá)數(shù)百納米；電子衍射與X射線衍射證實(shí)其非晶特性，原子力顯微鏡測(cè)得其厚度僅3.5納米，導(dǎo)電性達(dá)2.02×10?? S cm?¹。

圖1：二維非晶氧化鋅（2D A-ZnO）的合成與表征 a. 超薄非晶氧化鋅納米片（2D A-ZnO）的合成路線示意圖 b. 2D A-ZnO的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像 c, d. 透射電子顯微鏡（TEM）圖像（c）及對(duì)應(yīng)選區(qū)電子衍射圖譜（d） e. 2D A-ZnO的X射線衍射圖譜（插圖為高分辨率TEM圖像） f. 原子力顯微鏡（AFM）測(cè)得的納米片高度（厚度約3.5 nm） g. 隧道電流原子力顯微鏡（TUNA）表征的2D A-ZnO表面電導(dǎo)率 

形貌協(xié)同優(yōu)化

高角環(huán)形暗場(chǎng)掃描電鏡揭示：?jiǎn)为?dú)2D A-ZnO在活性層表面易團(tuán)聚，有機(jī)材料F3N則形成多孔非均質(zhì)膜。而混合AZnO-F3N形成均勻致密層，能譜證實(shí)鋅元素均勻分布，表明二維氧化鋅有效抑制有機(jī)相聚集，為電荷傳輸構(gòu)建理想界面。

圖2：形貌研究 a-c. 活性層上沉積的2D A-ZnO（a）、F3N（b）和AZnO-F3N（c）薄膜的高角環(huán)形暗場(chǎng)掃描TEM圖像 d-f. 2D A-ZnO（d）、F3N（e）和AZnO-F3N（f）薄膜在活性層上的形貌示意圖（橙色薄片代表2D A-ZnO，紫色纖維代表F3N） 

雙組分協(xié)同機(jī)制

X射線光電子能譜發(fā)現(xiàn)Zn2p結(jié)合能降低及N1s新峰（402.98 eV），證實(shí)氮原子向鋅原子供電子，鈍化界面缺陷。軟X射線吸收譜顯示羰基碳電子密度下降，進(jìn)一步驗(yàn)證N-Zn鍵合作用。瞬態(tài)吸收光譜表明，雜化薄膜激子壽命（0.875 ns）是純有機(jī)膜的3倍，理論計(jì)算揭示F3N整合消除了二維氧化鋅的帶隙缺陷態(tài)，形成多錨定點(diǎn)平面結(jié)構(gòu)。

圖3：F3N與2D A-ZnO的雙組分協(xié)同效應(yīng) a,b. F3N（a）和AZnO-F3N（b）薄膜的N1s核心能級(jí)XPS及擬合譜 c. F3N和AZnO-F3N薄膜的碳K邊軟X射線吸收光譜 d,e. 400 nm激發(fā)下F3N（d）和AZnO-F3N（e）薄膜在指定延遲時(shí)間的瞬態(tài)吸收光譜（2D A-ZnO不吸收400 nm光子，僅F3N被激發(fā)） f. F3N和AZnO-F3N薄膜在620 nm處探測(cè)的瞬態(tài)吸收衰減動(dòng)力學(xué) g. 2D A-ZnO和AZnO-F3N的態(tài)密度（DOS）（價(jià)帶頂能量設(shè)為零；PDOS：分波態(tài)密度；TDOS：總態(tài)密度） h. AZnO-F3N的優(yōu)化結(jié)構(gòu)及電荷密度差圖示 i. AZnO-F3N在z坐標(biāo)上的電荷位移分布（黃色/藍(lán)色分別對(duì)應(yīng)電子積累/耗盡） 

性能躍升驗(yàn)證

器件測(cè)試顯示：AZnO-F3N使二元OSC效率從F3N的19.3%提升至20.6%，三元體系達(dá)21.0%。量子效率曲線與電流密度高度吻合，厚度容忍性測(cè)試（30 nm CIL仍保持19.9%效率）凸顯量產(chǎn)潛力。光穩(wěn)定性顯著增強(qiáng)，白光照射下器件壽命從146小時(shí)延長(zhǎng)至234小時(shí)。

圖4：光伏性能 a. AZnO-F3N基OSCs的器件結(jié)構(gòu) b. 以F3N和AZnO-F3N為CIL的D18:L8-BO基器件，以及以AZnO-F3N為CIL的D18:L8-BO:BTP-eC9基器件的J-V曲線 c. 基于F3N和AZnO-F3N CIL的20個(gè)器件的PCE統(tǒng)計(jì)直方圖 d. 文獻(xiàn)報(bào)道的高效OSCs認(rèn)證PCE與認(rèn)證FF關(guān)系圖（詳參附表5） 

物理機(jī)制深化

表面光電壓測(cè)試表明，雜化體系陷阱態(tài)減少且電荷分離效率提高。深能級(jí)瞬態(tài)譜證實(shí)：F3N器件的深能級(jí)陷阱（0.985 eV）在雜化體系中被完全鈍化，殘留陷阱能級(jí)更淺（0.135/0.199 eV）。瞬態(tài)吸收光譜顯示電荷分離時(shí)間從4.23 ps縮短至2.20 ps，復(fù)合時(shí)間從1.04 ns延長(zhǎng)至1.23 ns，馬庫(kù)斯理論分析揭示非輻射復(fù)合損失降低0.011 eV，共同支撐了開路電壓的提升。

圖5：器件物理與超快過程表征 a. D18:L8-BO/F3N和D18:L8-BO/AZnO-F3N共混薄膜的表面光電壓（SPV） b. 基于深能級(jí)瞬態(tài)譜信號(hào)（經(jīng)離散拉普拉斯變換處理）的陷阱態(tài)阿倫尼烏斯圖（τ：發(fā)射時(shí)間常數(shù)；υth：熱速度；NC：電子有效態(tài)密度） c. 帶隙中深能級(jí)陷阱示意圖（峰位/高度對(duì)應(yīng)陷阱深度/密度；HOMO：最高占據(jù)分子軌道；LUMO：最低未占分子軌道） d-f. 暗態(tài)J-V曲線（d）、溫度依賴空間電荷限制電流法測(cè)得的電子遷移率（e）及電荷提取曲線（f）（Norm.：歸一化） g,h. 400 nm激發(fā)下D18:L8-BO/F3N（g）和D18:L8-BO/AZnO-F3N（h）共混薄膜在指定延遲時(shí)間的瞬態(tài)吸收光譜 i. 1,400 nm處探測(cè)的激子衰減動(dòng)力學(xué)（各樣品中900 nm處單線態(tài)動(dòng)力學(xué)信號(hào)已扣除）

應(yīng)用拓展與展望

AZnO-F3N在厚膜（300 nm）、大面積極（1 cm²）和柔性器件中均實(shí)現(xiàn)效率突破：柔性O(shè)SC效率達(dá)18.6%，經(jīng)2000次彎曲（曲率半徑2 mm）后仍保持97%性能，遠(yuǎn)超對(duì)照組。該策略成功拓展至PDIN、PDINN等多種有機(jī)CIL體系，驗(yàn)證了雙組分協(xié)同設(shè)計(jì)的普適性。

總結(jié)

此項(xiàng)研究通過"無機(jī)缺陷鈍化-有機(jī)形貌調(diào)控"的雙向協(xié)同機(jī)制，攻克了界面層導(dǎo)電性與穩(wěn)定性難題，使OSC效率首次媲美鈣鈦礦電池。其低溫溶液加工特性與卓越機(jī)械性能，為卷對(duì)卷大規(guī)模生產(chǎn)鋪平道路，標(biāo)志著有機(jī)光伏技術(shù)向商業(yè)化應(yīng)用邁出關(guān)鍵一步。