通过新型 MoPS3 纳米晶体的自旋操控实现高性能厚膜有机太阳能电池

用更厚的柔性面板将阳光转化为电力

由碳基材料制成的太阳能电池承诺实现如报纸般可印刷的轻薄、柔性片材。然而，当前最高效的版本依赖极薄的吸光层，这类薄层在大规模制造时难以保证一致性。本文探讨了一种新方法：在将吸光层加厚数倍时仍保持高效率，做法是利用微小的磁性晶体在有机太阳能电池内部更有效地引导能量。

为什么厚太阳能薄膜通常表现欠佳

有机太阳能电池通过在活性层吸收光子产生紧密束缚的能量包——称为激子——来工作。在传统设计中，这些激子只能在纳米量级的极短距离内移动，随后衰减，因此吸光薄层必须非常薄，才能让激子有机会到达发生分离成有用电荷的区域。制造商在追求大面积、卷对卷印刷所需的均匀性时若把层做厚，许多激子在传输过程中就会消失，电荷被困，整体效率显著下降。

用微小磁体引导看不见的能量

研究人员通过在活性层中掺入超薄的二维磁性材料 MoPS3 纳米晶体来解决这一问题。这些纳米晶体表现得像微小的内置磁铁，并且含有较重的原子，自然与激子的自旋——与其内部磁性相关的量子属性——发生相互作用。这些效应共同促使激子从寿命短的形式转变为寿命更长的形式。通俗地说，纳米晶体把转瞬即逝的能量火花变成能持续更久的余烬，使其有足够时间到达器件中可以被收集为电能的位置，而不会以热量形式流失。

让能量走得更远并减少损耗

通过一系列先进的光学和磁学测量，团队表明掺入 MoPS3 会在薄膜内部产生微弱的内部磁场并重塑能量景观。这种变化使激子更容易进入寿命更长的状态，同时也更难落入会使其无用消失的能量陷阱。因此，这些能量包的迁移距离大约增加一半或更多，电荷传输通道变得更快且更平衡。微小晶体在薄膜形成过程中还起到锚定作用，促使周围分子更有序地堆积，形成更细、更均匀的通路，帮助电荷更干净地流向电极。

在不依赖薄膜脆弱性的情况下实现高性能

添加这种磁性添加剂后，基于几种主流有机材料组合的太阳能电池在薄膜状态下达到超过20%的光电转换效率，并且关键是当活性层增厚到约300纳米时，性能几乎保持不变。一个使用氟化聚合物混合物的器件在该厚度下的认证效率略高于19%，使其成为报道中性能最好的厚膜有机太阳能电池之一。改进后的器件还表现出较低的能量无序、更少的损耗通道以及在加热和光照条件下更好的稳定性，这些都对实际应用至关重要。

走向可印刷的高效太阳能薄片的路径

本质上，这项工作将磁性纳米晶体作为一种简单的添加剂引入，重新规划了有机太阳能电池内能量的传递方式，使得厚而易于印刷的薄膜能够达到几乎不逊于脆弱超薄薄膜的性能。对非专业读者而言，结论是：通过用微小的磁性板精确调控激子的量子行为，研究人员提供了一条实用途径，朝着可大规模制造而不牺牲效率的柔性、大面积太阳能薄膜迈进。

引用: Li, Z., Pu, X., Su, Z. et al. Spin-manipulation via novel MoPS₃ nanocrystal for high-performance thick-film organic solar cells. Nat Commun 17, 2330 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70320-7

关键词: 有机太阳能电池, 磁性纳米晶体, 厚膜光伏, 激子扩散, 自旋工程