实验室李宁教授团队：解耦有机光伏器件中能量无序和分子结构有序的竞争作用

有机太阳能电池效率虽已突破20%，但非辐射电压损失仍是制约性能的关键瓶颈。能量无序与分子结构有序被认为是影响损失的核心因素，但二者的竞争机制及协同影响长期不明，尤其难以解释低温下开路电压的异常行为。因此，解耦能量无序与结构有序的作用，对降低能量损失、推动器件效率突破至关重要。

华南理工大学发光材料与器件全国重点实验室李宁教授课题组通过系统研究三种HOMO偏移相近的给体‑受体体系，实现了分子有序与能量无序的定量解耦。尽管平面聚合物给体可实现较高的理想开路电压，但其固有的静态无序性会导致严重的性能损失。这一结果直接挑战了“提高平面性即能降低电压损失”的传统假设，并建立了一套从变温外推电压极限、提取态密度宽度到迁移率平衡判据的系统性方法，为有机光伏材料设计提供了更精准的筛选逻辑。

该工作通过系统性地改变与L8-BO共混的聚合物给体（PM6、PTzBI-dF、D18-Cl），巧妙控制共混膜的HOMO偏移基本一致，排除了电荷分离驱动力的干扰。研究发现，PTzBI-dF凭借刚性平面骨架，在降温时形成高度有序聚集，使其0 K理想电压高达1.284V，远超另外两个体系。然而，其固有的静态能量无序过高，高斯态密度展宽高达0.676eV，远大于D18-Cl的0.382eV。更宽的态密度促使载流子热化进入带尾陷阱，加速非辐射复合；同时，电子和空穴迁移率的严重失衡进一步恶化空间电荷效应。该效应在200K以下被放大，载流子迁移率冻结和带尾态填充共同导致开路电压饱和甚至下降。最终，基于PTzBI‑dF器件的室温电压损失高达0.348 V，实际开路电压反被无序度最低的D18-Cl超越。结果表明，能量无序对非辐射损失的支配性作用可以完全盖过结构有序的优势。因此，缓解这种无序性对于减少能量损失并推动下一代有机光伏技术的发展至关重要。

相关研究成果以“DecouplingCompeting Roles of Energetic Disorder and Molecular Structural Order in OrganicPhotovoltaics”为题发表在Advanced Energy Materials上，其中通讯作者为李宁教授，第一作者为康兴旺博士生。该研究工作得到了国家自然科学基金（52373179、52394273）、TCL科技创新基金（20242065）、中央高校基本科研业务费专项基金（2025ZYGXZR024）以及中国教育部基础与交叉学科突破计划（JYB2025XDXM410）等科研项目的资助。