福师大王漾教授团队 Small 观点：共轭N型双自由基半导体助力高性能TiO2基钙钛矿太阳能电池- 大数跨境

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福师大王漾教授团队 Small 观点：共轭N型双自由基半导体助力高性能TiO2基钙钛矿太阳能电池

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2026-03-17

导读：福师大王漾教授团队 Small 观点：共轭N型双自由基半导体助力高性能TiO2基钙钛矿太阳能电池

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文章信息

共轭N型双自由基半导体助力TiO2基钙钛矿太阳能电池实现高效性能

第一作者：邹亚晴，王旭冉，王烽智

通讯作者：王漾*，安明伟*，江丽芝*，卫东*

单位：福建师范大学

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研究背景

TiO2作为钙钛矿太阳能电池中最常用的电子传输层材料，因其优良的化学稳定性和能级匹配性而广泛应用。然而，TiO2表面存在大量氧空位缺陷，限制了电子提取效率，影响器件的稳定性与性能。传统有机小分子修饰虽能部分钝化缺陷，但在导电性和能级匹配方面仍存在瓶颈。近年来，具有开壳结构的有机自由基材料因其优异的电荷传输性能和自掺杂特性，成为界面修饰研究的前沿方向。然而，n型自由基半导体在TiO2基钙钛矿太阳能电池中的应用尚未见报道。

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文章简介

近日，福建师范大学王漾教授等人在国际知名期刊 Small 上发表题为“Conjugated N-Type Diradical Semiconductor Empowers High-Performance TiO2-Based Perovskite Solar Cells”的研究论文。本研究首次设计并合成了一种新型n型共轭双自由基半导体IDT-R，并将其用于TiO2电子传输层的界面修饰。该分子具有显著的双自由基特性，能够有效钝化TiO2表面缺陷、提升导电性并优化能级匹配。最终，基于IDT-R修饰的器件实现了25.38%的光电转换效。

图1. IDT-R分子作用机理示意图。

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本文要点

要点一：分子设计与双自由基特性

研究团队基于经典非富勒烯受体IDT-Ph，通过引入抗芳香性IDT核心和大位阻侧链，设计并合成了首例n型双自由基半导体IDT-R。单晶结构、EPR、DFT计算等结果表明，IDT-R具有显著的开壳双自由基特性（y=0.237），并展现出优异的光热稳定性和电化学稳定性

图2.（a）IDT-Ph和IDT-R的分子结构，以及IDT-R的闭壳和开壳共振结构；（b）IDT-R的合成路线。

要点二：TiO2界面修饰与电性能提升

IDT-R通过强相互作用锚定在TiO2表面，显著减少氧空位缺陷，提升TiO2的导电性和电子迁移率。UPS和KPFM结果显示，IDT-R修饰后TiO2的功函数降低，能级更匹配钙钛矿层，有利于电子提取。C-AFM和J-V测试也证实了其导电性的提升。

图3. (a-c) 不同电子传输层的KPFM图像。(d-f) 不同电子传输层的C-AFM图。(g) 不同电子传输层的电导率谱图。(h) TiO2/钙钛矿、TiO2-IDT-Ph/钙钛矿和TiO2-IDT-R/钙钛矿薄膜的X射线衍射图谱。(i) 在TiO2/钙钛矿、TiO2-IDT-Ph/钙钛矿和TiO2-IDT-R/钙钛矿薄膜上制备的钙钛矿薄膜的Pb 4f XPS光谱。

要点三：器件性能显著提升

IDT-R修饰的钙钛矿太阳能电池实现了25.38%的光电转换效率，显著高于未修饰器件（23.50%）和IDT-Ph修饰器件（24.80%）。同时，器件在2000小时存储后仍保持85.3%的初始效率，热稳定性也显著优于对照组。

图4. (a) 器件结构示意图。(b) TiO2/钙钛矿、TiO2-IDT-Ph/钙钛矿和TiO2-IDT-R/钙钛矿钙钛矿太阳能电池的J-V曲线。(c) EQE光谱及积分电流密度对比。(d) 不同电子传输层上钙钛矿的稳态光致发光光谱和 (e) 时间分辨光致发光光谱。(f) 显示内建电势差异的Mott-Schottky图。(g) 通过阻抗谱测试得到的Nyquist图。(h) 开路电压(VOC)与光强的关系曲线。 (i) TiO2、TiO2-IDT-Ph和TiO2-IDT-R钙钛矿太阳能电池在N2气氛中储存的稳定性（温度：65 °C）。

要点四：机制分析与前瞻

研究表明，IDT-R主要通过提升TiO2的电学性能和钝化缺陷来增强器件性能，而非影响钙钛矿层的结晶过程。该工作首次将n型双自由基半导体引入钙钛矿界面工程，为开发高效稳定的电荷传输层材料提供了新思路。

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文章链接

Conjugated N-Type Diradical Semiconductor Empowers High-Performance TiO2-Based Perovskite Solar Cells”

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202514249

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通讯作者简介

王漾教授简介：博导，闽江学者特聘教授。本科毕业于中国科学技术大学，博士毕业于中国科学院长春应用化学研究所。以第一或通讯作者在Nat. Energy, Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater., Angew.Chem.Int.Ed.等国际顶尖期刊发表论文50余篇，获权发明专利7项，主持国家级项目3项、省部级项目4项，校企横向项目1项，任国际期刊Frontiers in chemistry专刊首席编委，担任Adv. Mater., Small等国际期刊审稿人。

安明伟副教授简介：福建省高层次C类人才。2021年博士毕业于厦门大学。以第一或通讯作者在Joule、J. Am. Chem. Soc.、Energy Environ. Sci.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、Sci. Bull.等国际著名期刊发表SCI论文18篇，共同申请发明专利11件。主持国家自然科学基金青年项目、省部级基金面上项目等科研课题5项。担任期刊Energy Materials和Materials Matter青年编委，并受邀在中国材料大会、全国太阳能电池材料与器件大会等学术会议作报告十余次。

江丽芝副教授简介：福建师范大学海峡柔性电子学院副教授，2013年获得日本九州大学博士学位，师从量子化学家Yuriko Aoki 教授。主要从事计算化学领域研究，围绕复杂表界面电子化学性质，采用从头算等系列计算方法进行研究，致力于材料筛选，设计，构-效关系和反应机理方面的探索。目前发表SCI期刊论文二十余篇。其中以第一作者或通讯联系人在Nat. Nanotechnol. (1篇)、Nat. Commun.(1篇)、Nano. Lett. (1篇)等重要学术期刊上发表论文，已获国家自然科学基金面上项目、国家自然科学基金青年项目、福建省自然科学基金面上项目资助。

卫东副教授简介：福建师范大学物理与能源学院副教授，硕士生导师。近年来一直从事有机无机杂化钙钛矿材料的制备及其在光电器件中的应用。在高效钙钛矿太阳电池可控制备和长期稳定性的研究中取得了一系列研究成果和重要进展，累计发表SCI论文10余篇，第一或通讯作者论文包括国际顶级期刊Adv. Mater. (IF=25.809，2篇)、Nature Energy (IF=54)、J. Mater. Chem A (IF=10.733，3篇)、Nanoscale (IF=8.307，2篇)、J. Power Sources (IF=9.794)等。这些研究成果被国际顶级刊物Adv. Energy Mater., Energy Environ. Sci.等广泛引用，单篇最高引用达295次。