奇妙的界面調控！港科大（廣州）吳佳瑩課題組發表Nature子刊，破解有機光伏器件電壓損失難題

香港科技大學（廣州）功能樞紐先進材料學域吳佳瑩助理教授課題組提出了降低有機太陽能電池非輻射複合的新策略。該工作探討了各類新型給體-受體界面，發現了優化非輻射複合新機制，為有機光伏器件的發展提供了新思路。相關研究結果發表於Nature子刊Nature Communications（2025年影響因子15.7），香港科技大學（廣州）為論文第一單位。

文章題目

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

作者信息

吳佳瑩課題組博士生羅永旻、博士畢業生海玉龍和李瑤為論文共同第一作者，香港科技大學（廣州）吳佳瑩助理教授為論文唯一通訊作者。

論文鏈接

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

資助致謝：

本研究工作得到了國家自然科學基金青年項目（C類）資助。特別感謝香港科技大學（廣州）綠色e材料實驗室（GeM），材料表徵和製備中央實驗室（MCPF-GZ），以及香港科技大學材料表徵和製備中央實驗室（MCPF）的技術支持。

研究介紹

有機太陽能電池在近年來實現了超過20%的光電轉換效率，但進一步提升仍受到非輻射能量損失（qΔVnr）對開路電壓的限制。已有研究表明，非輻射損失主要由供體–受體界面處的電荷轉移（CT）態決定，三態模型通過引入局域激子態與CT態的雜化，為理解低能量偏移體系中仍能保持高VOC提供了理論框架。然而，界面CT態的形成與衰減不僅取決於電子能級關係，也與界面微觀結構密切相關。

與此同時，電子–聲子耦合（EPC）被認為是非輻射複合的重要物理根源，但現有研究多集中於純相材料或單一分子構型，對複雜供體–受體界面中EPC的系統研究仍然不足。尤其是在近年來快速發展的全聚合物太陽能電池體系中，其獨特的相分離和界面混合方式是否會改變EPC行為，以及這種改變如何影響電荷產生和電壓損失，尚缺乏明確答案。基於此，本文以多種典型的聚合物給體–小分子受體體系（PD–SMA）和全聚合物體系（PD–PA）為研究對象，通過調控供受體比例，系統研究界面形貌演化、CT態動力學及電子–聲子耦合特性，旨在揭示界面結構、EPC與非輻射能量損失之間的內在聯繫。

研究結果

研究首先通過光譜、電化學與能級分析發現，在供受體比例變化過程中，PA體系相較SMA體系表現出更平緩的能級演化和更低的能量無序度。進一步結合GIWAXS和GISAXS表徵，作者發現兩類體系在界面結構演化路徑上存在本質差異：SMA體系傾向於快速相分離，形成高結晶度純相併以高度無序的混合界面為主；而PA體系則經歷從完全無序混合，到形成包含受體准聚集體並被給體鏈段滲透的中間態界面，再到結晶純相的漸進演化過程。在此基礎上，作者提出並定義了兩類不同的供體–受體界面結構：完全無序、供受體高度纏結的Entangled-interface（E-interface），以及由受體准聚集體與給體鏈段共同構成的Penetrated-interface（P-interface）。理論計算表明，E-interface對應供受體分子之間較為平行的堆疊構型，而P-interface更傾向於交叉堆疊構型，後者具有更低的內、外重組能，從而顯著減弱電子–聲子耦合。進一步的瞬態吸收和pump–push–probe光譜結果顯示，電荷產生可同時通過E-interface和P-interface兩條路徑進行，但P-interface更有利於激子解離和CT態的快速分離，並顯著減少束縛CT激子的積累。結合三態模型與Marcus–Levich–Jortner理論分析，作者定量證明EPC的降低是非輻射能量損失顯著減少的主導因素。在PA體系中，由於P-interface佔比更高，qΔVnr相比SMA體系降低約55–60meV。通過在SMA體系中引入聚合物受體形成三元體系，作者進一步實驗證實了通過調控P-interface比例提升VOC的可行性。

研究意義

本研究從界面結構的角度，為有機太陽能電池中非輻射能量損失提供了清晰而統一的物理圖像。論文表明，供體–受體界面並非單一無序區域，而是由具有顯著不同電子–聲子耦合特性的多種界面形態共同構成，其中P-interface由於內稟較弱的EPC，是實現低電壓損失的關鍵結構單元。研究進一步揭示，全聚合物太陽能電池中普遍存在的低qΔVnr，並非僅源於能級匹配或激子離域效應，而與其更容易形成高比例P-interface的界面形貌特徵密切相關。這一結論為理解全聚合物體系在低能量偏移條件下仍能保持高VOC提供了直接的結構依據。從器件設計角度看，本文提出「通過界面電子–聲子耦合調控降低電壓損失」的新策略，為未來材料設計、三元體系構築及界面工程提供了明確方向，也為突破有機太陽能電池效率瓶頸提供了可推廣的設計原則。

作者介紹

第一作者：

羅永旻，香港科技大學（廣州）功能樞紐先進材料學域三年級博士研究生。目前，他主要研究瞬態吸收光譜（TAS）、泵推探針光譜（PPP）、飛秒受激拉曼光譜（FSRS）、基於上轉換方法的fs-TRPL等超快光譜技術，並在GIWAXS、GISAXS等基於x射線的技術方面具有豐富的經驗。他目前正在研究有機半導體供體/受體界面的載流子動力學。相關工作以第一作者/共同一作發表於Nature Communications, Energy & Environment Science（3篇），Advanced Materials（2篇），Advanced Energy Materials（3篇）等頂級期刊，截至2026年1月h-index為14。

海玉龍，香港科技大學（廣州）先進材料學域博士畢業生。博士期間，在吳佳瑩教授指導下，致力於有機分子體系的電子結構、載流子動力學與電聲子耦合機制的理論研究。相關成果已在Energy & Environment Science, Nature Communications, Advanced Materials等高水平學術期刊發表。

李瑤，香港科技大學（廣州）先進材料學域博士畢業生。目前，她主要研究光電器件中的器件物理與電荷載流子動力學，主要針對有機光伏電池（OPVs）與有機光電探測器（OPDs）等領域。她在瞬態吸收光譜（TAS）、瞬態光電壓/光電流（TPV/TPC)，泵浦-推-探測瞬態吸收光譜（PPP）等超快光譜技術方面具有豐富的經驗，致力於從微觀動力學層面揭示器件工作機制並通過動力學調控提升器件效率與長期穩定性。

通訊作者：

吳佳瑩，現擔任香港科技大學（廣州）功能樞紐先進材料學域助理教授、香港科技大學工學院化工與生物分子工程系聯聘助理教授。她在James R. Durrant教授的指導下獲得了倫敦帝國理工學院的博士和碩士學位，並在電子科技大學獲得了學士學位。她的研究主要集中在探索太陽能轉換新材料的光物理學和載流子動力學，關注於光伏、光電探測器和光催化的分子材料。她目前的研究工作致力於通過使用超快光譜和瞬態光電錶征技術來推進對光子能量轉換材料/器件的光物理和光電子過程的理解。她在香港科大（廣州）領導超快光物理研究小組，專門研究先進的超快光譜表徵，以解決下一代光電材料和技術的核心科學挑戰。她在Science, Energy & Environmental Science, Nature Communications, Joule, Advanced Materials等期刊上發表論文100餘篇，被引次數超過4400次，截至2026年1月h-index為33。

香港科技大學（廣州）吳佳瑩課題組誠邀有志從事光電物理機制研究的碩士研究生、博士研究生、科研助理和博士後加盟。

關於導師科研情況的詳細介紹和聯繫方式，可以參考：

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