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武汉大学闵杰教授/华南理工大学段春晖教授 Adv. Mater.:分子取向工程突破有机光伏器件电压损耗瓶颈

2026-09-25 23:51:03

近年来，有机光伏（OPV）技术发展迅速，单结器件光电转换效率（PCE）已突破21%，展现出广阔的应用前景。然而，制约其进一步发展的关键因素并非短路电流（J_SC）或填充因子（FF），而是较大的开路电压损失（V_loss）。与无机太阳能电池相比，OPV器件通常存在0.5-0.8 eV的电压损失，这也是其PCE难以进一步突破的重要原因之一。其中，非辐射复合损失（ΔV₃）是V_loss的重要组成部分，也是限制V_OC进一步提升的关键。因此，如何有效抑制非辐射复合并降低ΔV₃值，已成为推动OPV效率进一步提升的核心科学问题。研究表明，给/受体界面分子取向的调控，对电荷转移速率与复合效率具有显著影响。先前的研究结果表明，给体或受体为面朝上（Face-on）或边朝上（Edge-on）的分子排列方式，会明显改变给受体界面能级结构与电荷复合行为。然而，目前同时调控给/受体界面分子取向对V_loss的影响以及其背后的物理机制仍然缺乏深入的研究。

针对这一关键科学问题，2026年6月2日，武汉大学闵杰团队与华南理工大学段春晖团队合作，在国际知名期刊《Advanced Materials》上发表了题为“Breaking the Voltage-Loss Bottleneck in Organic Photovoltaics via Interfacial Molecular Orientation Engineering”的研究论文。文章第一作者为武汉大学博士研究生吴薇薇，文章通讯作者为武汉大学闵杰教授和华南理工大学段春晖教授，武汉大学为文章第一通讯单位。

该工作揭示了给/受体界面分子取向对ΔV₃的决定性调控作用。该团队利用PDMS薄膜转移技术构建了给受体界面明确的双层（PHJ）器件，排除了传统BHJ中复杂形貌的干扰，独立研究了四种界面取向组合（Face-on/Face-on、Edge-on/Face-on、Face-on/Edge-on和Edge-on/Edge-on）对电荷转移态（CT）复合动力学的影响。结果表明，给体和受体同时采取Face-on取向的器件，电压损失最低。研究表明，当给体和受体均为Face-on/Face-on取向不仅保证了高效的电荷转移，还显著抑制了电荷转移态的非辐射衰减速率（k_nr）使EQE_EL提升至3.17×10^-4进而降低了ΔV₃和V_loss。该策略在不同给受体体系中均成立，表明调控界面分子取向为Face-on是降低ΔV₃的普适性策略。这一发现为有机光伏效率的瓶颈突破提供了明确的材料设计形貌优化方向。

图1：给受体分子结构和分子取向

给体材料（P5TCN-F0和P5TCN-F50）及非富勒烯受体材料（Y6和BTP-2T）的化学结构、2D-GIWAXS、1D线切曲线及极图如图1所示。实验结果表明，P5TCN-F0和Y6薄膜以Face-on取向为主（占比分别约为93%和89%），而P5TCN-F50和BTP-2T薄膜则以Edge-on取向为主导（Edge-on占比分别约为98%和87%）。这为后续构建四种不同的给受体界面分子取向组合奠定了材料基础。

图2：光伏参数和电压损失

图2展示了双层器件的结构、光伏性能及电压损失分析。如图2A所示，PDMS转移法制备具有清晰的给/受体界面的双层器件。通过组合不同取向的给体（P5TCN-F0，Face-on；P5TCN-F50，Edge-on）和受体（Y6，Face-on；BTP-2T，Edge-on），构建了四种不同给受体界面取向器件：Face-on/Face-on、Edge-on/Face-on、Face-on/Edge-on和Edge-on/Edge-on。J-V曲线显示，四种器件的V_OC高度相近（0.863-0.878 V）。值得注意的是，总V_loss呈现出对给受体界面取向的依赖性，从Face-on/Face-on的0.538 V逐步增至e/e的0.584 V。电压损失分解表明，ΔV₁几乎不变（~0.257 V），ΔV₂呈下降趋势（0.072→0.016 V），而ΔV₃从f/f到e/e单调递增（0.225→0.310 V），与总V_loss变化完全吻合。这明确证实了界面分子取向对V_loss的调控源于ΔV₃的差异，EQE_EL测试进一步验证了上述结论。

图3：电荷转移与CT态复合动力学

他们通过瞬态吸收光谱（TAS）、时间分辨光致发光（TRPL）和瞬态光电压（TPV）测量，揭示了界面分子取向调控电荷转移及CT态复合动力学的物理机制。能级示意图表明，光生激子经界面电荷转移形成CT态，CT态随后解离为自由载流子或通过辐射和非辐射复合衰减至基态。TAS测试结果表明，Face-on/Face-on构型（P5TCN-F0/Y6）具有最快的空穴转移过程，其平均转移时间（τ_ave）仅为9.96 ps，对应的电荷转移速率常数（k_CT）高达1.00×10¹¹ s^-1，均显著优于Edge-on/Face-on、Face-on/Edge-on及Edge-on/Edge-on构型，证明了Face-on/Face-on给受体界面最有利于高效电荷生成。TRPL测试和EQE_EL测试进一步量化了CT态的辐射与非辐射衰减速率常数（k_r与k_nr）。结果表明，k_nr呈现出对给受体界面取向的强烈依赖性，从Face-on/Face-on的1.93×10⁹ s^-1单调递增至Edge-on/Edge-on的3.70×10⁹ s^-1，与ΔV₃的变化趋势完全一致。TPV测试独立验证了这一结论。上述结果表明，Face-on/Face-on界面取向通过最大化电荷转移速率并最小化CT态非辐射衰减速率，实现了对ΔV₃的有效抑制。

图4：普适性研究

图4进一步验证了界面分子取向调控电压损失的普适性。他们选取了PM6作为给体，分别与两对非富勒烯受体（M3/M32和DTB3/DTB2）构建双层器件，其中PM6（CF）、M3和DTB3以Face-on取向为主，而PM6（o-XY）、M32和DTB2以Edge-on取向为主，从而形成四种界面取向组合。电压损失分解表明，在M3/M32体系中，ΔV₃从f/f到e/e单调递增（0.229→0.299 V），主导了总V_loss的变化（0.553→0.574 V），而辐射损失（ΔV₁+ΔV₂）则呈下降趋势，与主体系结论一致。DTB3/DTB2体系同样观察到类似的取向依赖规律。上述结果证实，界面分子取向对ΔV₃的调控具有材料普适性，不受特定给受体体系的限制，表明将其作为低电压损失OPV的通用设计参数具有广泛适用性。

图5：体异质结器件中的形貌讨论与理论PCE模拟

传统BHJ薄膜中给受体界面存在多种分子取向的统计分布（Face-on/Face-on、Edge-on/Face-on、Face-on/Edge-on和Edge-on/Edge-on），这种取向无序增强了CT态的非辐射复合，导致较大的V_loss。通过分子设计与形貌调控将给体和受体协同导向Face-on/Face-on构型，则可有效抑制非辐射复合并促进电荷的传输，在保持高效J_SC的同时，从而实现ΔV₃和V_loss的降低。基于Shockley-Queisser理论，随后，他们进一步估算了理论PCE随E_g与ΔV₃的变化关系。以E_g=1.40 eV为例，当ΔV₃从0.293 V降至0.209 V时，理论PCE可从20%提升至22%（紫色箭头）。综上所述，将给受体界面分子取向均调控为Face-on/Face-on，是突破有机光伏效率瓶颈的有效策略。

【文章链接】

“Breaking the Voltage-Loss Bottleneck in Organic Photovoltaics via Interfacial Molecular Orientation Engineering”

https://doi.org/10.1002/adma.73473

作者简介

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【通讯作者简介】

闵杰教授简介：教授，博士生导师，2017年加入武汉大学，现为高等研究院教授。长期从事有机光伏材料与器件的研发以及BIPV商业应用等。本课题组长期从事有机光电功能材料的设计合成、光电性能表征和材料与器件物理研究，重点研究开发第三代柔性太阳能电池技术。在有机光伏材料制备、器件形貌优化、稳定性器件构建等方面取得了一定的成绩，以通讯作者身份发表Nature Energy（1），Joule（13），Nature Communications（2），Advanced Materials（12），Angewandte Chemie International Edition（4），Energy & Environmental Science（12）等高水平论文100余篇，论文总引用23000余次，H指数78。担任Energy Reviews和Macromolecule期刊编委委员以及高分子三刊青年编委，2022-2023年度入选科睿唯安高被引科学家，2024年入选Cell Press细胞出版社“全球科学家50人（50 Scientists that Inspire）”，申请中国发明专利18项（已授权8项）；出版专著1部，参编英文书籍2部。

段春晖，华南理工大学教授、博导，国家青年人才及广东省青年珠江学者。2008年本科毕业于大连理工大学，2013年获华南理工大学博士学位，后于埃因霍温理工大学从事博士后研究，2017年起任华南理工大学教授。研究方向为有机高分子光电材料与器件，在有机太阳电池和光探测器领域成果突出：发展了国际同期性能领先的短波红外有机光探测材料；提出多重共振效应有机光伏材料新思路；开发了硼氮稠环、氰基噻吩、线性D-A聚合物等原创材料体系；多次刷新聚噻吩基或低成本受体太阳电池效率纪录。发表SCI论文160余篇，包括Chem. Soc. Rev.、Nature Commun.、Joule、JACS、Angew. Chem.、Adv. Mater.等，他引8000余次，H因子50，21篇高被引论文。授权中国发明专利11项，主编或参编中英文专著多部。获2014年教育部自然科学一等奖，入选全球前2%顶尖科学家。主持国家级等项目20余项，任多类基金评审专家。现任中国感光学会光电材料与器件专委会副主任委员，Energy Materials副主编，以及Chinese Chemical Letters、Journal of Semiconductors等期刊青年编委。

【第一作者简介】

吴薇薇师从闵杰教授，武汉大学博士研究生，研究方向为有机太阳能电池给受体界面和界面传输层对器件性能影响以及背后物理机制问题研究。

【课题组介绍】

武汉大学高等研究院闵杰教授课题组长期致力于面向能源、材料与健康需求的新一代光电功能器件的研究，发展具有鲜明特色、面向未来的新型光电器件与器件应用技术，重点围绕“材料化学-形貌物理-衰减机制-器件工程”的研究链条开展目标导向性基础研究，解决光电领域中关键科学问题和关键技术问题。更多信息可访问课题组官方网站：https://jiemin.whu.edu.cn/index.htm