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针对倒置有机光伏（OPVs）效率与光稳定性瓶颈（与金属氧化物传输层缺陷及光催化活性相关），研究人员开展界面工程研究。通过 ZnO 表面钝化等策略，获效率 19.50%、稳定性优异的器件，为 OPVs 工业化提供方向。
有机光伏（OPVs）作为清洁能源领域的重要方向，近年来在材料创新与器件结构优化上取得显著进展。传统正置（p-i-n）与倒置（n-i-p）结构 OPVs 在电荷传输层设计上存在差异：正置结构采用 PEDOT:PSS 等作为空穴传输层（HTL）、PFN-Br 等作为电子传输层（ETL），而倒置结构则以 ZnO、SnO?等金属氧化物作为电子传输层，MoO?作为空穴传输层。倒置 OPVs 因与印刷工艺兼容性强、环境稳定性高，被视为未来大面积商业化的理想选择，但其当前面临两大核心挑战：一是效率显著落后于正置 OPVs（截至 2024 年，正置认证效率超 20%，而倒置仅 16.67%）；二是 ZnO 等金属氧化物的光催化活性会引发有机活性层分子分解，导致器件稳定性不足，尤其在紫外光下降解问题突出。
为突破这些瓶颈，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所（i-Lab & 印刷电子研究中心）联合河南大学的研究团队，聚焦倒置 OPVs 的界面工程展开系统研究。相关成果发表于《Nature Communications》，为提升倒置 OPVs 的实用化进程提供了关键解决方案。
研究团队采用的核心技术方法包括：
- 界面钝化技术：通过原位生成无机 SiOxNy 薄膜或引入有机分子 BHT（3-(3,5 - 二叔丁基 - 4 - 羟基苯基) 丙酸）对 ZnO 纳米颗粒表面进行修饰；
- 三元体系构建：采用 PM6:BTP-eC9:o-BTP-eC9 三元共混活性层，优化电荷分离与传输效率；
- 长期稳定性测试：通过空气与氮气环境下的最大功率点（mpp）跟踪、紫外光老化等实验，评估器件寿命。
研究结果
1. 界面钝化策略显著提升效率与稳定性
ZnO 的光催化活性会产生羟基自由基（?OH）和超氧阴离子（O??），前者选择性降解非富勒烯受体（NFA），后者攻击聚合物给体，导致器件性能衰减。研究发现，BHT 通过羧基与 ZnO 形成 COOZn 配位键，不仅钝化表面氧空位，还能捕获自由基。采用 BHT 修饰 ZnO 的倒置 OPVs 实现了 19.50% 的自测试效率（认证效率 18.97%），连续工作 7000 小时后效率保持率达 81%（平均衰减率 2%/1000 小时），刷新倒置 OPVs 的效率与稳定性纪录。
2. 无机 - 有机复合钝化层的协同效应
原位生成的 SiOxNy 钝化层通过化学气相沉积法在 ZnO 表面形成超薄保护层，不仅抑制光催化反应，还改善界面电荷传输。含 SiOxNy 层的器件效率达 18.55%（认证 18.49%），白光下预估 T??寿命（效率降至初始 50% 的时间）长达 24,700 小时，显示出优异的长期光稳定性。
3. 降解机制解析与印刷工艺适配性
研究揭示，倒置 OPVs 的光降解主要由 ZnO 的带隙激发引发，紫外光下羟基自由基的生成速率显著增加。通过 BHT 修饰的 ZnO 纳米颗粒可制备高印刷适性油墨，兼容刮刀涂布、凹版印刷等工艺，为卷对卷（R2R）大规模生产奠定基础。对比传统表面处理方法，该策略无需额外制备步骤，简化了器件工艺流程。
结论与讨论
本研究通过多功能界面工程，首次在倒置 OPVs 中实现效率超 19%、实际测试寿命近 8000 小时的突破，证实了界面钝化对解决金属氧化物缺陷问题的有效性。所提出的自由基清除机制不仅阐明了倒置 OPVs 的降解本质，也为设计抗光老化材料提供了普适性思路。此外，适配印刷工艺的 ZnO 油墨开发，显著提升了倒置 OPVs 的工业化可行性。未来研究需进一步优化 SnO?等替代传输层的导电性与稳定性，同时发展低成本封装技术以抵御水氧侵蚀。该工作为有机光伏的商业化进程提供了关键技术支撑，有望推动其在柔性电子、建筑一体化光伏等领域的实际应用。
