烯丙基罗达宁处理的全小分子有机太阳能电池实现18.43%的效率突破

面向日常使用的更聪明太阳能电池

太阳能板已出现在屋顶、背包甚至窗户上——但许多仍然笨重、刚性且制造成本高。该研究探索了一种不同的太阳能技术，由可像报纸油墨一样印刷到薄而柔性的基片上的微小有机分子构成。通过精细调整这些分子在干燥过程中的自组装方式，研究人员将一种有前景的有机太阳能电池的效率提升到破纪录的水平，使超轻、可弯曲的太阳能发电离实用化更近一步。

为什么柔性太阳能板难以完善

与屋顶上大多数的硅基电池不同，有机太阳能电池使用溶解在液体中的碳基分子并将其涂布成薄膜。全小分子体系在量产方面具有显著优势：其结构明确定义、易于纯化且批次间表现一致。但问题在于，这些小分子容易强烈结晶并在薄膜内相分离成大的“岛状”区域。由于光生电荷在消失前只能移动短距离，过大的相分离导致许多电荷无法到达电极，从而限制电流和整体效率。

一个微小的助剂介入

团队通过向供体分子（MPhS-C2）与受体分子（N3）的混合物中加入微量称为3-烯丙基罗达宁的助剂来解决这一问题。这种助剂属于“挥发性固体添加剂”：在涂布过程中暂时参与混合物，然后在短暂的加热步骤中完全挥发，在最终器件中不留残余。尽管其结构类似供体的一部分，但详尽的计算和核磁共振实验表明它实际上更倾向于与受体发生更强的相互作用。这些选择性的吸引力使得助剂在湿膜干燥时能够引导两种组分的排列。

在薄膜干燥过程中引导结构形成

研究人员使用时间分辨光学测量、X射线散射、原子力显微镜和电子显微镜实时观察薄膜的成形过程。通常情况下，供体先开始结晶并将受体挤压成大而粗的区域。当添加剂存在时，它微妙地改变了结晶的时序：缩短了供体过度生长的时间窗，延迟并减缓了受体的结晶，并改善了两种材料在下层接触层上的铺展。最终得到的是更平滑的薄膜，具有更小且分布更均匀的域结构以及自上而下更均匀的垂直构造——不再是团簇和空隙，而是精细交织的网络。

寿命更长的电荷与更高的功率

这种优化后的内部结构带来了明显的电学优势。通过薄膜深度的光吸收测量显示，激子——由光产生的束缚电荷对——在更均匀且更靠近电极的位置产生，因此在被分离之前需行进的距离更短。电荷传输测试显示电子和空穴的迁移率更高且更平衡，陷阱更少，复合现象更弱。超快激光光谱学证实电荷分离更快且在复合前寿命更长。综合这些效应提高了电流，尤其是填充因子，从而使功率转换效率达到18.43%——经独立认证为18.16%——这是迄今为止该类双组分小分子有机太阳能电池的最高记录。

这对未来太阳能薄膜的意义

对非专业读者来说，关键结论是：精心选择的暂时性添加剂可以像柔性太阳能电池活性层的“施工队长”一样发挥作用。3-烯丙基罗达宁并不留在器件中，但在其存在期间引导构件如何就位，产生更精细的内部纹理，帮助光生电荷逃逸并被收集为电能。该研究还推翻了添加剂主要只与其结构相似材料作用的简单假设；其有效性取决于对所有组分之间微妙吸引力的平衡。这一设计洞察将有助于研究人员开发更优的添加剂，并推动印刷式、轻量有机太阳能板朝着满足日常用电所需的效率迈进。

引用: Cao, D., Zhong, L., Sun, Z. et al. Allylrhodanine-processed all-small-molecule organic solar cell achieves an 18.43% efficiency breakthrough. Nat Commun 17, 2105 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68924-0

关键词: 有机太阳能电池, 小分子光伏器件, 形貌控制, 固体添加剂, 柔性太阳能板