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【Angew.Chem.】突破20.5%效率的有机光伏新结构研究 ​

文章标题：Polarized Heterojunction in a Doubly Doped Layer‐by‐Layer Structure to Obtain an Organic Photovoltaic Device of 20.5% Efficiency
通讯作者：Ming Zhang 文章链接：https://doi.org/10.1002/anie.202521265

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文章概要 ​

引言与研究背景 ​

有机光伏（OPV）器件因其轻量、柔性、低成本和可大规模制备的优势而备受关注。然而，长期以来其效率提升受限于界面电荷传输与复合问题。本文提出了一种“极化异质结（polarized heterojunction）”结合“双重掺杂层层堆叠结构（doubly doped layer-by-layer structure）”的新型设计思路，成功实现了20.5% 的光电转换效率。这一突破不仅刷新了有机光伏的效率纪录，也为未来高性能柔性能源器件提供了新的方向。

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研究方法与结构设计 ​

研究团队采用了层层堆叠的薄膜制备方式，并在其中引入双重掺杂策略：

  • 电子掺杂与空穴掺杂的协同作用：通过在不同层中引入适量的掺杂剂，形成稳定的电荷传输通道。
  • 极化异质结的构建：在界面处形成电偶极矩，显著改善了电荷分离效率，减少了复合损失。

这种结构设计不仅优化了能级匹配，还增强了界面电场，从而提升了载流子迁移率与收集效率。

实验结果与性能表现 ​

在实验中，研究团队对比了传统结构与新型极化异质结结构的性能：

  • 效率提升：新结构的器件效率达到20.5%，相比传统设计提升显著。
  • 稳定性增强：器件在长时间光照与环境条件下保持较高稳定性，表现出优异的耐久性。
  • 电荷动力学改善：瞬态光电流与光电压测试表明，电荷分离与传输过程更加高效，复合速率明显降低。

这些结果证明了双重掺杂与极化异质结的协同作用是实现高效率的关键。

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理论分析与机理探讨 ​

通过光谱学与电学测试，研究团队进一步揭示了机理：

  • 界面极化效应：在异质结界面形成的电偶极矩，有效推动电子与空穴的分离。
  • 能级调控：掺杂策略使得能级排列更加合理，减少了能量损耗。
  • 载流子动力学优化：电荷迁移率提升，复合几率降低，整体电流密度与填充因子显著改善。

这些机理分析为未来设计更高效的有机光伏器件提供了理论依据。

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应用前景与意义 ​

该研究的突破不仅在学术层面具有重要意义，也在应用层面展现出广阔前景：

  • 柔性电子与可穿戴设备：高效率、轻量化的有机光伏器件可为柔性电子提供稳定电源。
  • 绿色能源与建筑集成：透明或半透明的有机光伏薄膜可应用于建筑玻璃，实现能源自给。
  • 大规模低成本制备：层层堆叠与掺杂策略适合工业化生产，推动有机光伏商业化。

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总结 ​

本文提出的“极化异质结+双重掺杂层层堆叠结构”成功突破了有机光伏效率的瓶颈，达到20.5%的纪录。这一成果不仅展示了材料设计与界面工程的巨大潜力，也为未来高性能、低成本、可持续的能源解决方案提供了新的思路。随着进一步优化与规模化应用，有机光伏有望在全球能源转型中发挥重要作用.