2025年7月18日，天津大学/中国科学院大学黄辉教授与中国科学院大学蔡芸皓副教授团队在Nature Materials期刊上发表了一篇题为“Organic solar cells with 21% efficiency enabled by a hybrid interfacial layer with dual-component synergy”的研究成果。
该工作报道了一种新型有机/无机双组份协同复合界面，显著降低了阴极界面的缺陷密度，提升了界面电导率与薄膜均匀性，实现21%效率的有机太阳能电池。
论文通讯作者是中国科学院大学蔡芸皓副教授、北京航空航天大学郭林教授、天津大学/中国科学院大学黄辉教授；第一作者是李聪琪、蔡芸皓、胡鹏飞。
有机太阳能电池（OSCs）因其柔性、轻质及可溶液加工等优势，在近年来取得快速发展。然而，OSCs的能量转换效率（PCE）仍落后于无机及钙钛矿太阳能电池，其核心原因在于活性层中不平衡的电荷传输与电荷复合，导致器件开路电压（Voc）和填充因子（FF）偏低，限制了整体性能的进一步提升。近年来，领域内大量研究聚焦于活性层材料的开发与形貌的优化，但对阴极界面层（CIL）的研究相对较少。然而，CIL在决定电子提取与复合行为方面起着至关重要的作用。当前主流的CIL材料普遍存在导电性不足、电荷复合严重及薄膜形貌差等问题，成为了制约器件效率和稳定性提升的重要瓶颈。
针对上述挑战，天津大学/中国科学院大学黄辉教授、中国科学院大学蔡芸皓副教授课题组创新性地提出了有机/无机双组分协同策略，首次将二维非晶氧化锌（2D A-ZnO）与有机界面材料PNDIT-F3N复合，构建有机/无机复合界面（AZnO-F3N）。该设计不同于传统复合界面的单向修饰，有效利用2D A-ZnO与PNDIT-F3N之间的协同作用，显著降低了界面缺陷密度，提升了界面电导率与薄膜均匀性。
图1：2D A-ZnO的合成及性能表征。
图2：2D A-ZnO、PNDIT-F3N与AZnO-F3N的形貌。
图3：PNDIT-F3N与2D A-ZnO的双组份协同作用。
系统表征结果显示，AZnO-F3N界面层显著增强了器件电子提取与传输能力，并有效抑制了载流子复合。在此基础上，以D18:L8-BO为活性层的有机太阳能电池实现了20.6%的PCE，认证效率为20.2%；引入第三组分BTP-eC9使效率进一步提升至21.0%，认证效率为20.8%，刷新了目前有机太阳能电池的最高认证效率记录。此外，AZnO-F3N界面层在多种活性层体系、厚膜器件、柔性器件及可拉伸器件中均展现出良好的适配性。同时，基于复合界面器件的光稳定性、热稳定性与机械稳定性亦明显优于传统PNDIT-F3N界面，展现出卓越的应用潜力。更值得一提的是，该双组份协同策略不仅适用于PNDIT-F3N体系，与PDIN、PDINN等多种主流界面材料复合时亦表现出广泛的适用性。
图4：光伏性能。
图5：器件物理和超快过程表征。
（来源：科学网）
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41563-025-02305-8
