有机太阳能电池（OSCs）是极具发展潜力的新型清洁能源可持续技术，凭借质量轻、成本低廉、可柔性制备等独特优势，成为光伏领域的研究热点。目前，通过分子结构设计与器件工艺优化，有机太阳能电池的光电转换效率已突破20%，实现了阶段性技术突破。但该类器件性能的进一步提升仍存在诸多瓶颈，严重的非辐射能量损耗、不理想的活性层形貌、有机半导体本征低介电常数等问题持续制约其发展，其中低介电常数是核心限制性因素。有机半导体以低极化元素和共价键结构为主，分子间作用力弱、永久偶极矩小，会形成高结合能激子，阻碍激子解离与电荷分离，同时加剧电子-空穴对复合，降低电荷收集效率。当前主流的分子设计手段虽能提升介电性能，却会改变材料本征光电与形貌特性，易产生负面效果，因此亟需探索无损、可控、便捷的新型优化技术。

近日，课题组在国际知名期刊Nature Communications上发表题为“High performance organic solar cell enabled by manipulating the exciton dissociation and charge transfer via dielectric engineering”的观点文章。该观点文章研发两种介电调节剂用于调控有机太阳能电池活性层介电常数，提升器件效率。

【本文要点】

要点一：介电调节剂性能

本文设计并合成了两种介电调节剂（Dr-1、Dr-2），应用于D18:L8-BO体系。测试证实Dr-2成功构筑S···F非共价构象锁，有效提升分子偶极矩，降低激子结合能，提升介电常数。二维核磁、红外光谱测试与分子动力学模拟证明，调节剂可与L8-BO产生强分子间相互作用，且Dr-2作用效果更显著。此外，两种调节剂不会产生可见光寄生吸收，优化后的共混薄膜吸收光谱红移、吸收系数提升。相较于Dr-1，Dr-2可更有效地优化分子堆叠结构，改善活性层光捕获能力。

要点二：器件性能

无调节剂的原始D18:L8-BO二元器件光电转换效率为19.3%。在最优条件下，Dr-1优化的器件光电转换效率提升至20.1%，而Dr-2优化的器件可实现更优异的调控效果，将器件效率大幅提升至20.85% （验证效率20.38%），这是目前报道的二元有机太阳能电池中最高效率之一。测试表明，Dr-2可有效降低器件反向饱和电流，减少暗态寄生电流损耗，提升电荷收集能力。稳定性测试结果显示，Dr-2优化的器件经1000小时持续光照后，仍保留82.1%的初始效率。同时，Dr-2可适配厚膜器件制备，300 nm厚活性层器件实现19.56%的能量转换效率，刷新了厚膜有机太阳能电池的效率纪录。

要点三：形貌研究、介电常数

本研究借助原位紫外-可见吸收光谱与原位荧光光谱，追踪了活性层从溶液到薄膜的形貌演变过程，将结晶过程划分为溶剂挥发、晶体生长与干膜三个阶段。测试结果显示，原始体系、Dr-1、Dr-2优化体系的成核与晶体生长时长依次延长，其中Dr-2可显著延缓薄膜结晶。过快结晶易引发材料过度团聚，不利于分子有序堆叠，而Dr-2可优化结晶动力学，构建理想的分子堆积结构，实现介电常数可控调控，助力电荷传输。原子力显微镜、透射电镜与GIWAXS表征结果表明，调节剂可优化薄膜形貌。Dr-2优化的薄膜呈现均匀纤维状结构，有效抑制团聚问题。分析证实，Dr-2优化的薄膜π-π堆叠距离更小、晶体相干长度更长，分子有序度大幅提升。综上，介电调节剂可通过调控薄膜结晶与微观形貌，协同提升激子解离效率、抑制电荷复合，显著优化器件电荷传输性能。

要点四：前瞻

有机太阳能电池是柔性、轻量化光伏器件的重要发展方向，但其大面积、高效率制备仍存在诸多难题。本研究提出的介电调控策略可有效优化薄膜结晶形貌、提升介电性能与器件稳定性，同时适配厚膜高效工作体系，极大降低了大面积涂布的工艺容错难度。基于该通用且可控的优化手段，未来可将该介电调控技术结合大面积印刷制备工艺，推进高性能、高稳定性大面积有机光伏器件的进程。

【文章链接】

High performance organic solar cell enabled by manipulating the exciton dissociation and charge transfer via dielectric engineering

https://www.nature.com/articles/s41467-026-74112-x