主链刚性促进空穴离域并在非富勒烯有机光伏中以最低电压损失实现高效电荷产生

为什么更好的塑料太阳能电池很重要

由灵活碳基材料制成的太阳能电池有望成为轻便、可弯曲且潜在上非常廉价的电源，可用于从建筑墙面到可穿戴电子产品的多种场景。但这些有机太阳能电池相比硅基器件仍在热量形式上浪费更多能量，尤其表现为限制可用电功率的“电压损失”。本文探讨了一种具有异常刚性主链的新型塑料样材料，它有助于有机太阳能电池更高效地将光转为电能，同时比类似器件减少电压损失。

一种新型的光捕获塑料

研究者将注意力集中在由两种成分混合而成的有机太阳能电池上：一种名为 PTNT1-F 的长链聚合物作为给体提供空穴，和一种称为 Y12 的非富勒烯分子作为受体接受电子。在这些器件中，光激发产生的电子–空穴对本来紧密束缚，必须在给体与受体的界面被拉开以生成电流。问题在于，减小驱动此分离的能量差通常会削弱电流，尽管这有助于减少被浪费的电压。PTNT1-F 被设计成具有刚性且延展的碳-硫环系统，保持其电子态有序，研究团队怀疑这一特性或许可以在驱动力很小的情况下仍然实现高效的电荷分离。

高功率与很小的能量推动损失

当 PTNT1-F 与 Y12 在标准太阳能电池结构中共混时，器件的光电转换效率超过 18%，与基于流行聚合物 D18 和 PM6 的领先有机电池相当或更好。关键是，PTNT1-F 器件在此过程中仅遭受约 0.18 伏的异常小的“非辐射电压损失”。这一损失反映了有多少能量以热的形式消散，而不是以微弱的光发射或电功被收集。在大量已发表的有机电池中，降低该损失通常会以电流下降为代价。在这里，作者表明 PTNT1-F 打破了这一趋势：其电荷产生效率达到理论极限的大约 80%，是迄今在如此低电压损失下报道的有机电池中最高的。

在人群中仍保持有序的刚性链

为了理解该材料为何表现优异，团队探测了其长分子链如何堆积以及能级如何分布。X 射线散射和先进光谱学显示，当 PTNT1-F 与 Y12 混合时，其能级的展宽——所谓的态密度分布——几乎没有变大。换言之，该聚合物即使在复杂的共混薄膜中仍保持高度有序。相比之下，参考聚合物 D18 和 PM6 在共混后明显表现出更强的无序性，这会引入更多的能量“粗糙度”与陷阱位。光学测量进一步表明 PTNT1-F 具有相对较高的光发射效率和有限的非辐射衰减，这些特征与其限制内部运动以避免能量以热耗散的刚性主链有关。

刚性如何帮助电荷逃逸

放大机制层面，作者认为 PTNT1-F 的刚性使正电荷（空穴）能够沿聚合物链扩展而不是局域化。对空穴有效质量的计算支持这一观点，表明该聚合物能够支撑延展的电子态。其他对给体—受体界面处微妙陷阱态敏感的测量表明，PTNT1-F 共混体系相比 D18 或 PM6 基体系具有更少的深陷阱。综合这些发现意味着，一旦空穴从 Y12 转移到 PTNT1-F，它可以在相对平滑、有序的主链上迅速离域，从而在复合发生之前更容易与电子分离。

为下一代太阳能塑料提供的设计启示

简而言之，这项研究表明，使聚合物主链更直、更刚性，有助于有机太阳能电池“以更少的代价获得更多回报”：它们在分离电荷时需要更少的能量推动，同时仍能产生强劲电流，从而削减长期制约这些器件的能量损失。工作提示，通过精心塑造核心分子骨架——其对称性、尺寸及沿链的环排列方式——可以在拥挤的共混中保持有序并促进电荷离域。这些设计规则可指导未来塑料太阳能材料的发展，使高效率与低电压损失相结合，推动柔性轻质光伏更接近实用化与大规模应用。

引用: Suruga, S., Mikie, T., Sato, Y. et al. Backbone rigidity promoting hole delocalization and enabling efficient charge generation with minimal voltage loss in nonfullerene organic photovoltaics. Commun Mater 7, 79 (2026). https://doi.org/10.1038/s43246-026-01115-y

关键词: 有机太阳能电池, 聚合物半导体, 电荷分离, 非富勒烯受体, 光伏效率