科学网—瑞典查尔姆斯理工大学吴敬男/王二刚等：分层协作补缺增效实现20.1%有机光伏与17.0%微型组件效率
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2026-9-21 10:17
| 系统分类: 论文交流
Layered Defect-Filling co-Assembled Carbazole-Based SAMs Deliver 20% Organic Solar Cells and 17% Mini-Modules
Jingnan Wu*, Fengbo Sun, Leandro R. Franco, Qiaonan Chen*, Xinxin Xia, Ruike Zhou, Zhuang Li, Mateus Bergami, Pablo Hermosilla Fernandez, C. Moyses Araujo, Biao Xiao, Xunchang Wang, Donghong Yu, Maojie Zhang, Renqiang Yang*, Ergang Wang*
Nano-Micro Letters (2027)19: 29
https://doi.org/10.1007/s40820-026-02325-
1. 从“单层”到“分层协作”，补缺与调能级同步实现：通过 2PACz 与2Cl-4PACz顺序共组装，构筑致密、电子耦合良好的多层SAM空穴传输界面。2PACz富集的底层主要负责调控ITO功函数与能级匹配；2Cl-4PACz则填补界面空隙、增强分子堆积，并在上层强化与给体聚合物的界面耦合，同时诱导更有利的活性层垂直组分分布，实现界面结构与电子性质的协同优化。
2. 效率与可扩展性兼得：该协同界面工程促进空穴传输并抑制 陷阱辅助复合 ，使D18:L8-BO小面积有机太阳能电池的冠军PCE达到20.1%；当器件放大到17.14 cm²、6个子电池串联的微型组件时，仍实现17.0%的PCE，显著高于2PACz对照组件的12.2%，体现出突出的面积放大优势。
研究背景
自组装单分子层(self-assembled monolayers, SAMs)凭借分子级厚度、可调界面偶极和良好的载流子选择性，已成为高性能有机太阳能电池(OSCs)中重要的空穴选择性界面材料。以2PACz为代表的咔唑基膦酸SAM可在ITO等金属氧化物表面化学吸附，调节电极功函数并促进空穴提取。然而，真实的溶液加工界面并不总是理想的“单分子层”：ITO表面粗糙、分子吸附不完全以及后处理差异，都可能造成覆盖空缺、未结合位点和局部聚集。小面积器件中，这些缺陷带来的损失可能并不突出；但随着器件面积放大，界面非均匀性与缺陷会累积并被放大，诱发陷阱辅助复合、降低填充因子(FF)，成为组件效率进一步提升的重要瓶颈。因此，如何在保持SAM界面简洁性的同时，提高覆盖度、优化能级并改善其与有机活性层的界面相容性，是高效率、可放大有机光伏亟待解决的关键问题。
内容简介
针对单组分SAM覆盖不完全、功能维度受限以及大面积器件更易放大界面缺陷的问题， 查尔姆斯理工大学吴敬男&王二刚团队 提出共组装多层SA M(co-assembled multilayered SAM, coSAMu)策略。研究选择具有相近咔唑骨架、但烷基间隔长度、偶极和空间构型不同的2PACz与氯取代类似物2Cl-4PACz，通过混合涂布(BC)和顺序涂布(SC)构筑共组装界面。其中，顺序涂布形成的SC-coSAMu呈现出清晰的“分层协作”：与ITO牢固结合的2PACz富集底层主要负责功函数与能级调控；后沉积的2Cl-4PACz中，一部分进入2PACz层的缺陷位点并与ITO结合，其余更多分布于上层，通过更强的分子间相互作用提升覆盖与堆积致密度，并增强与给体聚合物的界面相容性和电子耦合。实验表征与理论计算进一步表明，这种分层协同结构能够优化HTL附近的垂直组分分布、改善空穴传输，并减少陷阱辅助复合。最终，SC-coSAMu不仅在多种活性层体系中普遍带来效率提升，还将优势从0.042 cm²小面积器件成功延伸到17.14 cm²微型组件。
图文导读
I 从单分子层到“分层协作”：不同SAM各司其职
如图1所示，传统单组分2PACz在ITO表面容易出现覆盖不完全、空隙和未结合位点。作者由此引入2Cl-4PACz，与2PACz进行共组装。在顺序涂布路径中，2PACz首先形成与ITO化学吸附的底层，随后沉积2Cl-4PACz：少部分分子可进入2PACz层中的缺陷位点并与ITO结合，其余则更多分布于上层。这样的“上下分工”使界面不再依赖单一分子承担所有功能——底层侧重稳定锚定与功函数调控，上层则借助更长的烷基间隔和更强的分子偶极，协同改善分子覆盖、堆积以及与有机给体层的界面耦合。
图 1. ITO表面单组分SAM与2PACz/2Cl-4PACz共组装(混合涂布与顺序涂布)界面工程示意 。
II 协同组装与缺陷填充：更强分子相互作用构筑致密界面
理论与实验共同揭示了共组装为何能够变得更“致密”。2Cl-4PACz的 偶极矩 为4.89 D，高于2PACz的1.83 D，分子极性也略有增强。固态DFT计算显示，2PACz与2Cl-4PACz之间的π-π堆积相互作用能达到−10.4 kcal mol−1，强于2PACz/2PACz的−6.6 kcal mol−1；对应的咔唑间堆积距离也由4.4 Å缩短至3.4 Å。分子动力学模拟和¹H NMR进一步表明，两种分子在溶液阶段就呈现明显的异分子聚集倾向，为沉积后形成更紧密、更连贯的SAMu界面提供了分子层面的依据。
图 2. 2PACz与2Cl-4PACz的偶极、分子极性、溶液聚集及在ITO表面的分子间相互作用 。
这种协同作用进一步体现在真实ITO表面的分子覆盖与电学性质上。XPS得到的相对覆盖因子呈现“2PACz < BC-coSAMu < SC-coSAMu”的趋势，表明共组装能够提高ITO表面的分子覆盖。与此同时，UPS测得ITO功函数由2PACz修饰时的4.82 eV提升到BC-coSAMu的5.12 eV和SC-coSAMu的5.11 eV，从而改善与给体聚合物HOMO的能级匹配并降低 空穴提取势垒 。进一步的乙醇冲洗实验表明，功函数调控主要由与ITO强结合的内层SAM决定；较弱吸附的2Cl-4PACz上层对功函数贡献较小，却在缺陷填充、界面相容性和分子耦合等方面发挥关键作用。
图 3. 共组装SAMu的覆盖度、ITO功函数、界面电荷重排以及顺序涂布中的缺陷填充与分层结构 。
III 从界面到器件：更快电荷提取、更少陷阱复合
图4. 不同HTL器件的J-V/EQE、多活性层体系效率、17.14 cm²微型组件性能及活性层垂直组分分布。
在PM6:L8-BO体系中，2PACz对照器件的PCE为18.1%，而BC-coSAMu与SC-coSAMu分别提升至18.9%和19.3%，其中SC-coSAMu的FF达到81.5%。这一策略对活性层材料具有良好的普适性，在PM6:BTP-eC9、D18:L8-BO和PM6:Y6等体系中均带来性能提升；其中D18:L8-BO体系采用SC-coSAMu后，冠军器件PCE达到20.1%。更值得关注的是，深度依赖吸收表征显示，coSAMu使PM6:L8-BO活性层的垂直组分分布更加均匀，SC-coSAMu还促进HTL附近出现轻微PM6富集，有利于界面空穴传输并进一步降低复合。电荷动力学表征进一步表明，coSAMu能够改善界面接触和空穴迁移，提升电荷提取与收集能力，同时降低 陷阱态密度 并抑制陷阱辅助复合。此外，在240 h最大功率点跟踪测试中，coSAMu器件也表现出优于2PACz对照的长期稳定性。由此可见，共组装策略的价值并不止于“填平”界面，更在于同时重塑界面能级、分子组织和电荷动力学。
图5. 不同SA Mu界面的空穴 注入、界面电荷转移、电荷提取及陷阱辅助复合行为。
IV 从0.042 cm²到17.14 cm²：面积越大，界面工程的价值越突出
对于有机光伏而言，小面积高效率并不自动意味着大面积性能可以无损复制。本文最具应用指向性的结果来自17.14 cm²的PM6:L8-BO微型组件：在6个子电池串联的结构中，SC-coSAMu组件实现17.0%的PCE，而2PACz对照仅为12.2%，相对提升约39%。更具启发性的是，在0.042 cm²小面积器件中，不同SAM型HTL的FF差异仅约2%；当面积放大到17.14 cm²后，2PACz与SC-coSAMu之间的FF差距扩大到约12%。这说明，随着器件面积增加，局部覆盖缺陷、HTL/活性层界面不均匀以及陷阱复合会被进一步放大。通过提高分子覆盖、填补缺陷并改善界面电荷提取，层状共组装能够更有效地缓解这种“面积放大损失”。与单纯追求小面积峰值效率相比，这种跨尺度保持性能的能力更凸显了该策略的可扩展价值。
V 总结
本研究提出由2PACz和2Cl-4PACz构成的共组装多层SAM策略，通过分子间π-π相互作用、偶极差异和烷基间隔长度差异，将传统单组分SAM从“单一分子承担多重功能”拓展为具有明确功能分工的分层协作界面。
在靠近ITO的内层，2PACz富集并与氧化物表面牢固结合，主要承担功函数与能级调控；2Cl-4PACz则通过进入缺陷位点并在上层富集，提高分子覆盖和堆积致密度，增强与给体聚合物的界面相容性与电子耦合。
这种分层协同进一步优化HTL附近的垂直组分分布，改善空穴迁移与电荷收集，并显著降低陷阱态密度和陷阱辅助复合。因此，SC-coSAMu在多种活性层体系中均表现出更高的FF和器件效率，其中D18:L8-BO小面积器件的冠军PCE达到20.1%。
更关键的是，当器件由0.042 cm²放大到17.14 cm²微型组件后，SC-coSAMu依旧保持显著优势，实现17.0%的PCE，而2PACz对照组件为12.2%。这一结果表明，受控多层共组装不仅能够提升实验室尺度的峰值性能，更有助于缓解大面积器件中的界面缺陷累积与均匀性问题。
从更广的角度看，这项工作提供了一套可模块化理解的界面设计逻辑——“底层调能级，上层补缺陷、强耦合”。这一思路有望拓展到其他金属氧化物电极、不同有机光伏活性层，乃至更多受埋界面缺陷与面积放大效应限制的光电器件，为高效率与可制造性之间搭起一座分子尺度的桥梁。
作者简介
吴敬男
本文通讯作者
查尔姆斯理工大学 博士后研究员
▍ 主要研究 领域
有机光伏材料应用、器件工程与器件应用。
▍ 主要研究成果
瑞典查尔姆斯理工大学博士后，2024年博士毕业于丹麦奥尔堡大学。主要从事有机光伏材料应用、器件工程与器件应用方向的研究。已在Nat. Commun.，Angew. Chem., Adv. Mater., Adv. Energy Mater.等国际权威刊物上发表SCI论文50篇。
▍ Email： jingnanw@chalmers.se
王二刚
本文通讯作者
查尔姆斯理工大学 教授
▍ 主要研究 领域
有机太阳能电池、光电探测器、发光电化学电池、电致变色器件、场效应晶体管和光催化。
▍ 主要研究成果
瑞典查尔姆斯理工大学化学与化学工程学院教授，并担任系内Director of Studies。研究聚焦共轭聚合物及相关功能材料，应用涵盖有机太阳能电池、光电探测器、发光电化学电池、电致变色器件、场效应晶体管和光催化等。
▍ Email： ergang@chalmers.se
撰稿： 原文作者
编辑：《纳微快报(英文)》编辑部
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