奇妙的界面调控！港科大（广州）吴佳莹课题组发表Nature子刊，破解有机光伏器件电压损失难题

香港科技大学（广州）功能枢纽先进材料学域吴佳莹助理教授课题组提出了降低有机太阳能电池非辐射复合的新策略。该工作探讨了各类新型给体-受体界面，发现了优化非辐射复合新机制，为有机光伏器件的发展提供了新思路。相关研究结果发表于Nature子刊Nature Communications（2025年影响因子15.7），香港科技大学（广州）为论文第一单位。

文章题目

Suppressing Electron-Phonon Coupling and Energy Loss in Organic Solar Cells by Modulating Donor-Acceptor Penetrated-Interface

作者信息

吴佳莹课题组博士生罗永旻、博士毕业生海玉龙和李瑶为论文共同第一作者，香港科技大学（广州）吴佳莹助理教授为论文唯一通讯作者。

论文链接

https://www.nature.com/articles/s41467-026-68731-7

资助致谢：

本研究工作得到了国家自然科学基金青年项目（C类）资助。特别感谢香港科技大学（广州）绿色e材料实验室（GeM），材料表征和制备中央实验室（MCPF-GZ），以及香港科技大学材料表征和制备中央实验室（MCPF）的技术支持。

研究介绍

有机太阳能电池在近年来实现了超过20%的光电转换效率，但进一步提升仍受到非辐射能量损失（qΔVnr）对开路电压的限制。已有研究表明，非辐射损失主要由供体–受体界面处的电荷转移（CT）态决定，三态模型通过引入局域激子态与CT态的杂化，为理解低能量偏移体系中仍能保持高VOC提供了理论框架。然而，界面CT态的形成与衰减不仅取决于电子能级关系，也与界面微观结构密切相关。

与此同时，电子–声子耦合（EPC）被认为是非辐射复合的重要物理根源，但现有研究多集中于纯相材料或单一分子构型，对复杂供体–受体界面中EPC的系统研究仍然不足。尤其是在近年来快速发展的全聚合物太阳能电池体系中，其独特的相分离和界面混合方式是否会改变EPC行为，以及这种改变如何影响电荷产生和电压损失，尚缺乏明确答案。基于此，本文以多种典型的聚合物给体–小分子受体体系（PD–SMA）和全聚合物体系（PD–PA）为研究对象，通过调控供受体比例，系统研究界面形貌演化、CT态动力学及电子–声子耦合特性，旨在揭示界面结构、EPC与非辐射能量损失之间的内在联系。

研究结果

研究首先通过光谱、电化学与能级分析发现，在供受体比例变化过程中，PA体系相较SMA体系表现出更平缓的能级演化和更低的能量无序度。进一步结合GIWAXS和GISAXS表征，作者发现两类体系在界面结构演化路径上存在本质差异：SMA体系倾向于快速相分离，形成高结晶度纯相并以高度无序的混合界面为主；而PA体系则经历从完全无序混合，到形成包含受体准聚集体并被给体链段渗透的中间态界面，再到结晶纯相的渐进演化过程。在此基础上，作者提出并定义了两类不同的供体–受体界面结构：完全无序、供受体高度缠结的Entangled-interface（E-interface），以及由受体准聚集体与给体链段共同构成的Penetrated-interface（P-interface）。理论计算表明，E-interface对应供受体分子之间较为平行的堆叠构型，而P-interface更倾向于交叉堆叠构型，后者具有更低的内、外重组能，从而显著减弱电子–声子耦合。进一步的瞬态吸收和pump–push–probe光谱结果显示，电荷产生可同时通过E-interface和P-interface两条路径进行，但P-interface更有利于激子解离和CT态的快速分离，并显著减少束缚CT激子的积累。结合三态模型与Marcus–Levich–Jortner理论分析，作者定量证明EPC的降低是非辐射能量损失显著减少的主导因素。在PA体系中，由于P-interface占比更高，qΔVnr相比SMA体系降低约55–60meV。通过在SMA体系中引入聚合物受体形成三元体系，作者进一步实验证实了通过调控P-interface比例提升VOC的可行性。

研究意义

本研究从界面结构的角度，为有机太阳能电池中非辐射能量损失提供了清晰而统一的物理图像。论文表明，供体–受体界面并非单一无序区域，而是由具有显著不同电子–声子耦合特性的多种界面形态共同构成，其中P-interface由于内禀较弱的EPC，是实现低电压损失的关键结构单元。研究进一步揭示，全聚合物太阳能电池中普遍存在的低qΔVnr，并非仅源于能级匹配或激子离域效应，而与其更容易形成高比例P-interface的界面形貌特征密切相关。这一结论为理解全聚合物体系在低能量偏移条件下仍能保持高VOC提供了直接的结构依据。从器件设计角度看，本文提出“通过界面电子–声子耦合调控降低电压损失”的新策略，为未来材料设计、三元体系构筑及界面工程提供了明确方向，也为突破有机太阳能电池效率瓶颈提供了可推广的设计原则。

作者介绍

第一作者：

罗永旻，香港科技大学（广州）功能枢纽先进材料学域三年级博士研究生。目前，他主要研究瞬态吸收光谱（TAS）、泵推探针光谱（PPP）、飞秒受激拉曼光谱（FSRS）、基于上转换方法的fs-TRPL等超快光谱技术，并在GIWAXS、GISAXS等基于x射线的技术方面具有丰富的经验。他目前正在研究有机半导体供体/受体界面的载流子动力学。相关工作以第一作者/共同一作发表于Nature Communications, Energy & Environment Science（3篇），Advanced Materials（2篇），Advanced Energy Materials（3篇）等顶级期刊，截至2026年1月h-index为14。

海玉龙，香港科技大学（广州）先进材料学域博士毕业生。博士期间，在吴佳莹教授指导下，致力于有机分子体系的电子结构、载流子动力学与电声子耦合机制的理论研究。相关成果已在Energy & Environment Science, Nature Communications, Advanced Materials等高水平学术期刊发表。

李瑶，香港科技大学（广州）先进材料学域博士毕业生。目前，她主要研究光电器件中的器件物理与电荷载流子动力学，主要针对有机光伏电池（OPVs）与有机光电探测器（OPDs）等领域。她在瞬态吸收光谱（TAS）、瞬态光电压/光电流（TPV/TPC)，泵浦-推-探测瞬态吸收光谱（PPP）等超快光谱技术方面具有丰富的经验，致力于从微观动力学层面揭示器件工作机制并通过动力学调控提升器件效率与长期稳定性。

通讯作者：

吴佳莹，现担任香港科技大学（广州）功能枢纽先进材料学域助理教授、香港科技大学工学院化工与生物分子工程系联聘助理教授。她在James R. Durrant教授的指导下获得了伦敦帝国理工学院的博士和硕士学位，并在电子科技大学获得了学士学位。她的研究主要集中在探索太阳能转换新材料的光物理学和载流子动力学，关注于光伏、光电探测器和光催化的分子材料。她目前的研究工作致力于通过使用超快光谱和瞬态光电表征技术来推进对光子能量转换材料/器件的光物理和光电子过程的理解。她在香港科大（广州）领导超快光物理研究小组，专门研究先进的超快光谱表征，以解决下一代光电材料和技术的核心科学挑战。她在Science, Energy & Environmental Science, Nature Communications, Joule, Advanced Materials等期刊上发表论文100余篇，被引次数超过4400次，截至2026年1月h-index为33。

香港科技大学（广州）吴佳莹课题组诚邀有志从事光电物理机制研究的硕士研究生、博士研究生、科研助理和博士后加盟。

关于导师科研情况的详细介绍和联系方式，可以参考：

https://facultyprofiles.hkust-gz.edu.cn/faculty-personal-page/WU-Jiaying/jiayingwu