高效有機太陽能電池突破21%效率壁壘

有機太陽能電池（OSCs）憑借聚合物給體和非富勒烯受體的發展，近年來效率已突破20%，但仍落后于鈣鈦礦和硅基太陽能電池。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）的導電性不足、電荷復合率高及形貌不均等問題。傳統有機CIL易因形貌缺陷導致電流泄漏，而無機金屬氧化物CIL的制備依賴高能耗工藝，制約了大規模應用。

合成創新與結構驗證

研究團隊首創"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狀結構，尺寸達數百納米；電子衍射與X射線衍射證實其非晶特性，原子力顯微鏡測得其厚度僅3.5納米，導電性達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）及對應選區電子衍射圖譜（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表面電導率 

形貌協同優化

高角環形暗場掃描電鏡揭示：單獨2D A-ZnO在活性層表面易團聚，有機材料F3N則形成多孔非均質膜。而混合AZnO-F3N形成均勻致密層，能譜證實鋅元素均勻分布，表明二維氧化鋅有效抑制有機相聚集，為電荷傳輸構建理想界面。

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）薄膜的高角環形暗場掃描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） 

雙組分協同機制

X射線光電子能譜發現Zn2p結合能降低及N1s新峰（402.98 eV），證實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，進一步驗證N-Zn鍵合作用。瞬態吸收光譜表明，雜化薄膜激子壽命（0.875 ns）是純有機膜的3倍，理論計算揭示F3N整合消除了二維氧化鋅的帶隙缺陷態，形成多錨定點平面結構。

圖3：F3N與2D A-ZnO的雙組分協同效應 a,b. F3N（a）和AZnO-F3N（b）薄膜的N1s核心能級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激發下F3N（d）和AZnO-F3N（e）薄膜在指定延遲時間的瞬態吸收光譜（2D A-ZnO不吸收400 nm光子，僅F3N被激發） f. F3N和AZnO-F3N薄膜在620 nm處探測的瞬態吸收衰減動力學 g. 2D A-ZnO和AZnO-F3N的態密度（DOS）（價帶頂能量設為零；PDOS：分波態密度；TDOS：總態密度） h. AZnO-F3N的優化結構及電荷密度差圖示 i. AZnO-F3N在z坐標上的電荷位移分布（黃色/藍色分別對應電子積累/耗盡） 

性能躍升驗證

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

圖4：光伏性能 a. AZnO-F3N基OSCs的器件結構 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個器件的PCE統計直方圖 d. 文獻報道的高效OSCs認證PCE與認證FF關系圖（詳參附表5） 

物理機制深化

表面光電壓測試表明，雜化體系陷阱態減少且電荷分離效率提高。深能級瞬態譜證實：F3N器件的深能級陷阱（0.985 eV）在雜化體系中被完全鈍化，殘留陷阱能級更淺（0.135/0.199 eV）。瞬態吸收光譜顯示電荷分離時間從4.23 ps縮短至2.20 ps，復合時間從1.04 ns延長至1.23 ns，馬庫斯理論分析揭示非輻射復合損失降低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. 基于深能級瞬態譜信號（經離散拉普拉斯變換處理）的陷阱態阿倫尼烏斯圖（τ：發射時間常數；υth：熱速度；NC：電子有效態密度） c. 帶隙中深能級陷阱示意圖（峰位/高度對應陷阱深度/密度；HOMO：最高占據分子軌道；LUMO：最低未占分子軌道） d-f. 暗態J-V曲線（d）、溫度依賴空間電荷限制電流法測得的電子遷移率（e）及電荷提取曲線（f）（Norm.：歸一化） g,h. 400 nm激發下D18:L8-BO/F3N（g）和D18:L8-BO/AZnO-F3N（h）共混薄膜在指定延遲時間的瞬態吸收光譜 i. 1,400 nm處探測的激子衰減動力學（各樣品中900 nm處單線態動力學信號已扣除）

應用拓展與展望

AZnO-F3N在厚膜（300 nm）、大面積極（1 cm²）和柔性器件中均實現效率突破：柔性OSC效率達18.6%，經2000次彎曲（曲率半徑2 mm）后仍保持97%性能，遠超對照組。該策略成功拓展至PDIN、PDINN等多種有機CIL體系，驗證了雙組分協同設計的普適性。

總結

此項研究通過"無機缺陷鈍化-有機形貌調控"的雙向協同機制，攻克了界面層導電性與穩定性難題，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械性能，為卷對卷大規模生產鋪平道路，標志著有機光伏技術向商業化應用邁出關鍵一步。