胡汉林/张红雨/Annie Ng/吕杰/黑秀泽Advanced Science:高效有机和串联太阳能电池中耐厚阴极夹层的静电势互补性

第一作者：丁晓蔓

通讯作者：胡汉林*，张红雨*，Annie Ng*，吕杰*，黑秀泽*

单位：深圳职业技术大学霍夫曼先进材料研究院，吉林大学，纳扎尔巴耶夫大学

有机太阳能电池（OSCs）凭借柔性、轻质、可溶液加工等优势，成为新一代光伏技术的重要方向，目前效率已突破 21%。但在产业化进程中，阴极界面层（CIL） 仍存在关键瓶颈：传统自掺杂 n 型界面材料受极性侧链影响，分子堆积无序，厚度敏感、工艺窗口极窄（仅 5–10 nm），难以适配大面积制备。同时，界面接触、电荷抽取与稳定性难以兼顾，缺乏从分子层面指导的理性设计策略。为解决厚度耐受性、效率与稳定性协同提升的难题，亟需建立明确的分子相互作用机制与界面工程方法。

深圳职业技术大学胡汉林、黑秀泽、吕杰，吉林大学张红雨团队及纳扎尔巴耶夫大学 Annie Ng团队，在知名期刊 Advanced Science上发表题为“Electrostatic Potential Complementarity for Thickness-Tolerant Cathode Interlayers in High-Efficiency Organic and Tandem Solar Cells”的观点文章。该研究以静电势互补为核心设计准则，选取中心静电势分布截然相反的间苯三酚（PG）与均苯三甲酸（TMA）作为模型分子，系统阐明了二者与经典阴极界面层材料 PDINN 的分子间相互作用机制。研究最终成功构建出PDINN:PG 复合阴极界面层，显著优化界面电荷传输与能级匹配，使器件在光电转换效率、厚度耐受性与长期稳定性上实现同步大幅提升。

有机太阳能电池走向产业化的核心瓶颈是阴极界面层厚度敏感、效率与稳定性难以协同，传统界面层仅 5–10 nm 工艺窗口，无法适配大面积制备。本研究针对性提出静电势互补分子设计策略，选取静电势分布相反的均苯三甲酸（TMA）和间苯三酚（PG）作为模型分子，系统探究其与 PDINN 的分子相互作用，从静电本质层面解析界面层厚度敏感的根源，为高性能、高鲁棒性阴极界面层的理性设计提供全新理论指导与方法支撑。

PG 与 PDINN 之间的静电势互补分布与强化的分子间作用力，显著调控了界面层的物理化学性质。该调控作用有效提升本征自掺杂效应与电导率，优化界面能级匹配与 π-π 堆积有序性，抑制 PDINN 自团聚，并有效降低银电极功函数。这些协同效应共同促进高效电荷抽取与传输，显著抑制双分子复合与缺陷辅助复合，并将非辐射能量损失降至最低。

基于 PDINN:PG的二元有机太阳能电池实现20.0% 的光电转换效率（认证效率 19.5%），显著优于纯 PDINN 器件（18.3%）与 PDINN:TMA器件（19.1%）。该策略具备优异普适性，兼容 PM6:N3、PM6:Y6、PM6:BO-4Cl、PM6:L8-BO 等主流活性层体系，并可拓展至 PFN-Br、NDI-ph、PNDIT-F3N 等常规阴极界面材料。将其应用于钙钛矿-有机叠层太阳能电池，效率最高可达26.4%，充分证明该方法在不同器件结构中的广泛适用性与实用价值。

PDINN:PG 界面层突破传统界面层厚度限制，在 50 nm 厚时仍保持 87% 的峰值效率，大幅放宽加工精度要求，完美适配工业化大面积制备。同时，器件运行稳定性显著提升，在氮气氛围、室温下经 LED 模拟器连续光照 600 小时后，仍可保持 80% 的初始效率。优异的厚度耐受性与长期稳定性，有效解决有机光伏产业化中的关键工艺与寿命难题，推动柔性光伏技术走向实际应用。

Electrostatic Potential Complementarity forThickness-Tolerant Cathode Interlayers in High-EfficiencyOrganic and Tandem Solar Cells.

吕杰：香港理工大学博士后研究员。中国科学院重庆绿色智能技术研究院2019级博士生，2019年毕业于兰州交通大学获得理学硕士学位。2022年至2024年在中国科学院深圳先进技术研究院-深圳职业技术大学进行博士后研究，主要研究方向为有机太阳能电池材料与器件物理，以（共同）第一作者身份在Matter, Energy & Environmental Science, Materials Today, Advanced Energy Materials, InfoMat和 Advanced Functional Materials等期刊发表多篇论文。

黑秀泽副教授：深圳职业技术大学霍夫曼先进材料研究院副教授。本科毕业于武汉大学，2023年于美国罗格斯大学化学与化学生物学系李静教授课题组获博士学位。共发表学术论文19篇，以第一作者身份发表论文8篇，包括J. Am. Chem. Soc., Chem. Sci., Chem. Mater. 等国际著名期刊。主要研究方向为有机-无机杂化材料的设计与合成，以及其在光电转化领域的相关应用等。

Annie Ng副教授：哈萨克斯坦纳扎尔巴耶夫大学电气与计算机工程系的副教授。2014 年在香港大学获得博士学位。曾获得香港理工大学的博士后奖学金。目前，在纳扎尔巴耶夫大学领导一个研究小组，致力于开发适用于建筑集成和室内应用的光伏技术。已发表 90 多篇论文，被引用超过 3000 次。

张红雨教授：2006年于吉林大学取得理学博士学位，2006年至2008年在日本名古屋大学Shigehiro Yamaguchi课题组做博士后研究，2008年11月回到吉林大学担任副教授，2014年晋升为教授，2016年获得国家优秀青年基金资助，2020年获得中国化学会超分子化学青年创新学术讲座奖。张红雨教授的研究方向主要是有机光电功能材料及其应用。到现在为止已经发表了100余篇论文，包括Chem. Soc. Rev., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., and Chem. Sci.等，被引用5300余次(H index = 41)。

胡汉林副教授简介：入选广东省省级青年人才计划（2024），深圳市海外高层次人才“孔雀计划”B类（2021），深职大喷涂光伏研发中心负责人。2017年在沙特阿卜杜拉国王科技大学获博士学位，先后就职于香港理工大学、深圳大学。于2020年全职加入深圳职业技术大学霍夫曼先进材料研究院，在研究院参与搭建了深圳市首台广角/小角X射线散射线站（GIWAXS/GISAXS），长期从事薄膜太阳能电池的研究，以及基于同步辐射对材料晶相转变的实时追踪。主持国家自然科学基金、广东省面上项目，广东省教育厅项目，深圳市稳定支持项目、深圳市高层次人才启动项目等，已发表SCI论文130余篇，包括Advanced Materials, Energy & Environmental Science, Angewandte Chemie International Edition, Advanced Energy Materials等国际期刊，现为Nature Photonics, Advanced Materials, Advanced Functional Materials, Energy & Environmental Materials等期刊的审稿人。基于相关科研成果，共申请发明专利20项，已授权8项。主要研究方向为打印薄膜太阳能电池和晶体管，以及基于同步辐射对材料晶相转变的实时追踪。

丁晓蔓：吉林大学和霍夫曼先进材料研究院的联合培养博士生，目前主要研究方向为有机太阳能电池材料与器件。

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