科学网—韩国蔚山国立科学技术院Changduk Yang等：同步突破有机光伏效率、柔性、成本三重性能瓶颈---极性扭曲电子传输层
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2026-9-30 11:20
| 系统分类: 论文交流
Polar-Twisted Electron-Transport Layer Simultaneously Breaks Efficiency-Flexibility-Cost Limits in Organic Solar Cells
Thi Le Huyen Mai, Zhe Sun, Won Jung Kang, Seunglok Lee, Taek-Soo Kim & Changduk Yang
Nano-Micro Letters (2027)19: 33
https://doi.org/10.1007/s40820-026-02330-
1. 绿 色加 工： 极性扭曲型苝二酰亚胺电子传输层分子框架，可实现无助剂 醇溶液 加工、抑制薄膜过度结晶，并提升材料抗氧化稳定性。
2. 高效稳定： H75-DMA 应用于二元有机太阳能电池可实现超 20% 光电转换效率；未封装器件在空气中存放 384 小时后，仍可保留约 80% 的初始光电转换效率。
3. 降本增效： H75-DMA 可显著提升柔性、半透明有机太阳能电池性能；同时支持阴极由银替换为铜，铜基器件效率可达 18.65%，在性能接近银基器件的前提下，凸显器件层面的成本优势。
研究背景
有机太阳能电 池 (OSCs) 具备轻质、柔性、可溶液加工、半透明等特点，能够适配可穿戴设备、建筑光伏一体化和柔性电子等应用场景。苝二酰亚胺 ( PDI ) 类电子传输层 (ETL) 是调控器件电荷抽取、界面复合与工作寿命的关键材料，直接影响有机太阳能电池的器件效率与长期运行可靠性。但现有 PDI 体系仍存在多项短板：材料醇溶性差，加工过程往往需要酸性助剂；成膜时易过度结晶，破坏薄膜均一性并影响柔性器件的力学性能；材料本身的空气稳定性也有待提高，器件暴露在环境中容易发生氧化降解。此外，目前仍缺少一套适用于 PDI 电子传输层的通用分子设计框架，难以通过分子结构改造同时兼顾效率、稳定性、加工性、柔性与成本，这些问题制约了有机太阳能电池的进一步应用。
内容简介
苝二酰亚胺(PDI)类电子传输层(ETL)影响有机太阳能电池(OSCs)的电荷抽取、界面复合与器件寿命，但该类材料仍缺乏通用的分子设计框架。 韩国蔚山国立科学技术院Changduk Yang等人 提出一种PDI电子传输层分子设计体系，通过结合湾位结构修饰与极性大位阻侧链调控，使材料能够在不添加助剂的醇类溶剂中溶解，同时抑制薄膜过度结晶并缓解氧化降解。
基于该体系设计的H75-DMA能够抑制活性氧引发的分子化学变化与界面陷阱积累，稳定界面能级排布并保障电子高效传输。采用H75-DMA的二元有机太阳能电池光电转换效率( PCE )突破20%；将其应用于柔性器件时，薄膜机械韧性与抗弯折性能显著提升。该材料形成光滑、高表面能的界面，可促进超薄金属阴极连续成膜，提升柔性半透明有机太阳能电池的光利用效率。此外，H75-DMA支持器件阴极由银替换为铜，铜基器件可保留银基器件约97%的光电转换效率，体现出降低阴极材料成本的潜力。
图文导读
图1. 有机光伏全体系分子设计框架对比。
图1横向对比有机光伏给体、受体、空穴传输层已成熟的标准化分子设计体系，直观凸显领域长期缺失适配 PDI 电子传输层的通用调控思路，本工作提出的 H75 框架通过极性侧链优化醇溶性、扭曲芳香骨架削弱分子堆叠、湾位预留修饰位点三大核心策略，补齐电子传输层设计短板。
图2. PDIN、PDIN-NAP、H75-DMA 分子结构、界面能级与薄膜形貌。
图2展示了分子结构、界面能级、薄膜形貌：图2a 依次展示 PDIN、PDIN-NAP、H75-DMA 三种材料的化学骨架，H75-DMA 在 PDI 湾位引入极性大位阻 DMA 基团，同步完成分子平面扭转与极性修饰。图2b 通过能级示意图直观对比三类 ETL 调控银电极功函数的能力，H75-DMA 可将银功函数降至 3.58 eV，构筑高空穴阻挡势垒以削弱界面电荷复合。图2c 从二维 GIWAXS 散射图谱、AFM 高度形貌图、光学显微镜图像多尺度表征薄膜状态，PDIN 薄膜结晶度高、表面粗糙度达 2.23 nm，PDIN-NAP 结晶行为小幅改善，H75-DMA 几乎无长程有序分子堆叠，薄膜粗糙度仅 0.221 nm，形成无颗粒团聚的低缺陷均匀界面，证明极性扭曲结构可同步优化界面能级与薄膜形貌。
图3. 刚性有机太阳能电池光伏性能与空气老化稳定性。
图3呈现了刚性器件结构、光电输出与老化衰减过程。图3a给出ITO/PEDOT:PSS/D18-Cl:N3/ETL/Ag标准刚性器件构型；图3b、c分别记录AM1.5G标准光照下不同ETL器件的J-V曲线与EQE光谱，H75-DMA器件表现出更高的开路电压、短路电流、填充因子与积分光电流。图3d通过16组独立器件的光电转换效率箱线图展示了器件性能的重复性。图3e为未封装器件在约25 °C、40%–60% RH空气中存放时的归一化效率曲线；384 h后，H75-DMA器件仍保有约80%的初始效率。图3f展示器件在55 °C、40%–60% RH空气中持续1 sun光照老化时J-V曲线的变化，H75-DMA器件各项光电参数的衰减幅度较小，表明其兼具较高光电效率与空气存储稳定性。
图4. 空气老化前后 ESR 自由基信号与 XPS 界面化学表征
图4结合ESR自由基捕获与XPS精细谱分析了材料抗氧化的内在机理。图4a对比新鲜样品与空气老化168 h后四种ETL的超氧自由基ESR信号；PDIN、PDINN老化后自由基信号显著增强，而H75-DMA的信号变化较小，表明其具有更强的抗氧化降解能力。图4b展示四种材料老化前后C 1s、N 1s轨道XPS分谱；传统PDIN、PDINN的碳氮化学键组分出现明显偏移与重构，而H75-DMA谱图变化较小，从分子化学键层面支持其较好的抗光氧化降解能力。
图5. 激子解离、界面陷阱与载流子动力学测试。
图5围绕激子解离、界面陷阱、载流子寿命三大维度解析稳定性差异，图5a 为不同 ETL 器件新鲜、老化后的光生电流 - 有效电压曲线，H75-DMA 器件激子解离与电荷收集效率几乎不受空气老化影响。图5b 结合电容 - 电压曲线与 Bode 相频图谱直观反映界面陷阱密度变化，PDIN、PDINN 老化后陷阱电容大幅上升，H75-DMA 陷阱增量低于 1 nF，长期维持低缺陷界面。图5c 对比各组器件 TPV 载流子寿命与 TPC 电荷提取寿命，无论新鲜还是老化状态，H75-DMA 均具备更长载流子寿命与更快电荷抽取速率。
图6. 柔性、半透明、铜阴极全场景器件综合性能。
图6详细介绍了器件在柔性、半透明和低成本铜阴极三类应用场景下的性能表现。图6a为活性层搭配不同ETL薄膜的拉伸应力–应变曲线，H75-DMA薄膜的裂纹起始应变超过21%，韧性达到6.72 MJ m⁻³。图6b为高结晶与低结晶薄膜受力形变机理示意图，解释无序分子结构缓冲应力、减少薄膜开裂的力学优势。图6c、d分别展示PET基底柔性器件的J-V曲线与2500次弯折循环后的效率保留情况；H75-DMA柔性器件实现17.89%的光电转换效率，反复弯折后仍保留83%的初始性能。
在半透明柔性器件方面，图6e、f、g依次呈现可见光透过光谱、光电输出曲线与CIE色度坐标；该类器件的光电转换效率约为15%，适用于建筑透光光伏等场景。图6h将本文半透明器件的光利用效率与近年文献结果对比，其综合性能处于较高水平。图6i对比银、铜两种阴极器件的光电转换效率；搭载H75-DMA的铜阴极器件效率达到18.65%，接近银基器件，显示出H75-DMA兼顾柔性、透光与降低阴极材料成本的潜力。
总结
本工作构建了湾位极性扭曲型PDI电子传输层分子设计框架，并开发了可采用无酸醇溶剂加工的H75-DMA。该材料能够抑制过度结晶和氧化降解，使刚性器件效率超过20%，并提高空气存储稳定性；同时适用于柔性、半透明器件，并支持使用铜阴极替代银阴极。研究为兼顾效率、稳定性、加工性、柔性与成本的有机光伏界面材料提供了分子设计思路。
作者简介
Changduk Yang
本文通讯作者
韩国蔚山国立科学技术院 教授
▍ 主要研究 领域
π共轭光电功能分子的设计与合成
▍ 主要研究成果
现任韩国蔚山国立科学技术院(UNIST)能源与化学工程学院教授、ATOMS实验室负责人，同时任职于碳中和研究生院，并担任UNIST InnoCORE AISpace Solar Initiative项目负责人。博士毕业于德国马克斯·普朗克聚合物研究所，先后在晓星集团、加州大学圣巴巴拉分校和佐治亚理工学院开展研究工作。研究涉及有机太阳能电池、有机场效应晶体管和OLED等有机光电器件，覆盖分子工程、自组装、器件构筑及面向产业化的大尺寸低成本工艺开发。
▍ Email： yang@unist.ac.kr
撰稿： 《纳微快报(英文)》编辑部
编辑：《纳微快报(英文)》编辑部
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