高效有机太阳能电池突破21%效率壁垒

有机太阳能电池（OSCs）凭借聚合物给体和非富勒烯受体的发展，近年来效率已突破20%，但仍落后于钙钛矿和硅基太阳能电池。其核心瓶颈在于较低的开路电压和填充因子，根源是阴极界面层（CIL）的导电性不足、电荷复合率高及形貌不均等问题。传统有机CIL易因形貌缺陷导致电流泄漏，而无机金属氧化物CIL的制备依赖高能耗工艺，制约了大规模应用。

合成创新与结构验证

研究团队首创"界面限制配位法"，以氧化亚铜纳米片为模板，通过配体刻蚀和沉淀合成氢氧化锌纳米片，再经脱水获得超薄二维非晶氧化锌（2D A-ZnO）。电镜图像显示其呈褶皱纱网状结构，尺寸达数百纳米；电子衍射与X射线衍射证实其非晶特性，原子力显微镜测得其厚度仅3.5纳米，导电性达2.02×10⁻⁵ S cm⁻¹。

图1：二维非晶氧化锌（2D A-ZnO）的合成与表征 a. 超薄非晶氧化锌纳米片（2D A-ZnO）的合成路线示意图 b. 2D A-ZnO的扫描电子显微镜（SEM）图像 c, d. 透射电子显微镜（TEM）图像（c）及对应选区电子衍射图谱（d） e. 2D A-ZnO的X射线衍射图谱（插图为高分辨率TEM图像） f. 原子力显微镜（AFM）测得的纳米片高度（厚度约3.5 nm） g. 隧道电流原子力显微镜（TUNA）表征的2D A-ZnO表面电导率 

形貌协同优化

高角环形暗场扫描电镜揭示：单独2D A-ZnO在活性层表面易团聚，有机材料F3N则形成多孔非均质膜。而混合AZnO-F3N形成均匀致密层，能谱证实锌元素均匀分布，表明二维氧化锌有效抑制有机相聚集，为电荷传输构建理想界面。

图2：形貌研究 a-c. 活性层上沉积的2D A-ZnO（a）、F3N（b）和AZnO-F3N（c）薄膜的高角环形暗场扫描TEM图像 d-f. 2D A-ZnO（d）、F3N（e）和AZnO-F3N（f）薄膜在活性层上的形貌示意图（橙色薄片代表2D A-ZnO，紫色纤维代表F3N） 

双组分协同机制

X射线光电子能谱发现Zn2p结合能降低及N1s新峰（402.98 eV），证实氮原子向锌原子供电子，钝化界面缺陷。软X射线吸收谱显示羰基碳电子密度下降，进一步验证N-Zn键合作用。瞬态吸收光谱表明，杂化薄膜激子寿命（0.875 ns）是纯有机膜的3倍，理论计算揭示F3N整合消除了二维氧化锌的带隙缺陷态，形成多锚定点平面结构。

图3：F3N与2D A-ZnO的双组分协同效应 a,b. F3N（a）和AZnO-F3N（b）薄膜的N1s核心能级XPS及拟合谱 c. F3N和AZnO-F3N薄膜的碳K边软X射线吸收光谱 d,e. 400 nm激发下F3N（d）和AZnO-F3N（e）薄膜在指定延迟时间的瞬态吸收光谱（2D A-ZnO不吸收400 nm光子，仅F3N被激发） f. F3N和AZnO-F3N薄膜在620 nm处探测的瞬态吸收衰减动力学 g. 2D A-ZnO和AZnO-F3N的态密度（DOS）（价带顶能量设为零；PDOS：分波态密度；TDOS：总态密度） h. AZnO-F3N的优化结构及电荷密度差图示 i. AZnO-F3N在z坐标上的电荷位移分布（黄色/蓝色分别对应电子积累/耗尽） 

性能跃升验证

器件测试显示：AZnO-F3N使二元OSC效率从F3N的19.3%提升至20.6%，三元体系达21.0%。量子效率曲线与电流密度高度吻合，厚度容忍性测试（30 nm CIL仍保持19.9%效率）凸显量产潜力。光稳定性显著增强，白光照射下器件寿命从146小时延长至234小时。

图4：光伏性能 a. AZnO-F3N基OSCs的器件结构 b. 以F3N和AZnO-F3N为CIL的D18:L8-BO基器件，以及以AZnO-F3N为CIL的D18:L8-BO:BTP-eC9基器件的J-V曲线 c. 基于F3N和AZnO-F3N CIL的20个器件的PCE统计直方图 d. 文献报道的高效OSCs认证PCE与认证FF关系图（详参附表5） 

物理机制深化

表面光电压测试表明，杂化体系陷阱态减少且电荷分离效率提高。深能级瞬态谱证实：F3N器件的深能级陷阱（0.985 eV）在杂化体系中被完全钝化，残留陷阱能级更浅（0.135/0.199 eV）。瞬态吸收光谱显示电荷分离时间从4.23 ps缩短至2.20 ps，复合时间从1.04 ns延长至1.23 ns，马库斯理论分析揭示非辐射复合损失降低0.011 eV，共同支撑了开路电压的提升。

图5：器件物理与超快过程表征 a. D18:L8-BO/F3N和D18:L8-BO/AZnO-F3N共混薄膜的表面光电压（SPV） b. 基于深能级瞬态谱信号（经离散拉普拉斯变换处理）的陷阱态阿伦尼乌斯图（τ：发射时间常数；υth：热速度；NC：电子有效态密度） c. 带隙中深能级陷阱示意图（峰位/高度对应陷阱深度/密度；HOMO：最高占据分子轨道；LUMO：最低未占分子轨道） d-f. 暗态J-V曲线（d）、温度依赖空间电荷限制电流法测得的电子迁移率（e）及电荷提取曲线（f）（Norm.：归一化） g,h. 400 nm激发下D18:L8-BO/F3N（g）和D18:L8-BO/AZnO-F3N（h）共混薄膜在指定延迟时间的瞬态吸收光谱 i. 1,400 nm处探测的激子衰减动力学（各样品中900 nm处单线态动力学信号已扣除）

应用拓展与展望

AZnO-F3N在厚膜（300 nm）、大面积极（1 cm²）和柔性器件中均实现效率突破：柔性OSC效率达18.6%，经2000次弯曲（曲率半径2 mm）后仍保持97%性能，远超对照组。该策略成功拓展至PDIN、PDINN等多种有机CIL体系，验证了双组分协同设计的普适性。

总结

此项研究通过"无机缺陷钝化-有机形貌调控"的双向协同机制，攻克了界面层导电性与稳定性难题，使OSC效率首次媲美钙钛矿电池。其低温溶液加工特性与卓越机械性能，为卷对卷大规模生产铺平道路，标志着有机光伏技术向商业化应用迈出关键一步。