第一作者：罗永旻，海玉龙，李瑶
通讯作者：吴佳莹

通讯单位：香港科技大学（广州）

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

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该论文系统研究了有机太阳能电池中非辐射能量损失（qΔVnr）的微观起源之一，重点聚焦于供体–受体界面结构对电子–声子耦合（electron–phonon coupling, EPC）及器件电压损失的影响。作者通过比较四种聚合物给体–小分子受体（PD–SMA）体系和三种全聚合物（PD–PA）体系，发现不同体系在体异质结中形成了本质不同的界面形态，从而导致截然不同的能量损失行为。

研究提出并定义了两类界面结构：一种是供体与受体高度无序、彼此缠结的“Entangled-interface（E-interface）”，另一种是由受体准聚集体形成、并被聚合物给体链段渗透的“Penetrated-interface（P-interface）”。作者证明，P-interface 相比 E-interface 具有更弱的电子–声子耦合，从而显著降低了非辐射复合速率，是实现低电压损失的重要结构基础。

通过形貌表征、第一性原理与半经验理论计算、瞬态吸收和 pump–push–probe 光谱等多手段联合分析，文章进一步揭示了 P-interface 在电荷产生、CT 态分离及非辐射能量损失抑制中的双重作用。最终，作者通过在 SMA 体系中引入聚合物受体调控界面结构，实验证明了基于 P-interface 调控 EPC 以降低 qΔVnr 的普适性和可行性。

背景介绍

近年来，以 Y 系列非富勒烯受体为代表的有机太阳能电池在极小激子–电荷转移态能量差（ΔES1–CT）条件下，依然实现了较高的电荷产生效率和开路电压，这一现象挑战了传统两态模型对非辐射能量损失的理解。为解释这一矛盾，三态模型被提出，引入了局域激子态（S1）与电荷转移态（CT）之间的杂化效应，认为 CT 态可“借用”高振子强度的 S1 态，从而增强辐射复合并降低 qΔVnr 【1】。

随着研究的深入，人们逐渐认识到，CT 态的能量分布和复合行为高度依赖于供体–受体界面的微观结构。近年来的研究表明，体异质结中往往共存多个 CT 态，其形成与界面区域的有序度、混合程度和相分离行为密切相关。然而，对于这些界面在结构层面的清晰分类，以及它们如何具体影响电荷产生和能量损失机制，仍缺乏统一和明确的认识。

另一方面，电子–声子耦合被认为是非辐射能量损失的重要物理根源，但现有研究大多集中于纯相材料或单一分子层面，对于复杂供体–受体界面中 EPC 的作用缺乏系统探讨。尤其是在近年来快速发展的全聚合物太阳能电池体系中，界面混合形态与 EPC 之间的内在联系尚未被充分揭示，这也构成了本文研究的关键背景。

研究出发点

本文的研究出发点在于厘清：供体–受体界面的具体结构类型，是否可以通过设计这些不同的结构来调控电子–声子耦合以此影响非辐射能量损失和电荷产生动力学。具体而言，作者注意到，聚合物受体体系与小分子受体体系在相分离行为和界面混合方式上存在显著差异，这种差异可能导致界面 CT 态的电子结构和振动态性质发生本质变化。

基于此前关于聚合物受体体系中强界面贯通性（interfacial percolation）的研究基础，作者假设：在某些体系中，受体形成的准聚集结构与给体链段相互渗透，可能构建出一种兼具一定有序性和混合特征的特殊界面。这种界面既不同于完全无序的缠结界面，也不同于高度结晶的纯相界面，而其潜在的电子–声子耦合特性及电荷动力学行为有待深入探索。

因此，本文以多种代表性 PD–SMA 和 PD–PA 体系为研究对象，通过系统调控供受体比例，追踪界面形貌、电子结构和动力学过程的演化，试图建立“界面形貌—电子–声子耦合—非辐射能量损失”之间的清晰因果关系。

研究内容

再次，作者首先系统表征了不同体系在供体–受体比例变化下的光学性质、能级结构和能量无序程度，发现 PA 体系在界面区域表现出更平缓的能级变化和更低的无序度。随后通过 GIWAXS 和 GISAXS 等手段，揭示了两类界面的形貌演化路径：SMA 体系倾向于快速相分离，形成高结晶度纯相并保留以无序 E-interface 为主的界面；而 PA 体系则经历从完全无序的 E-interface，到含有准聚集体的 P-interface，再到结晶纯相的渐进式演变。

在此基础上，作者通过分子动力学和 TD-DFT 计算，将 E-interface 与 P-interface 分别对应于供受体分子间的平行堆叠与交叉堆叠构型，并定量计算了内重组能、外重组能及 Huang–Rhys 因子。结果表明，无论在 PA 还是 SMA 体系中，P-interface 均表现出更低的重组能和更小的 EPC，而 PA 体系整体 EPC 又低于 SMA 体系。

进一步结合瞬态吸收和 pump–push–probe 光谱，作者证实电荷产生过程同时可通过 E-interface 和 P-interface 两条路径进行，其中 P-interface 不仅有利于激子解离，还能促进 CT 态的快速分离并减少束缚 CT 激子的积累。最终，通过三态模型和 Marcus–Levich–Jortner 理论分析，作者定量证明 EPC 的降低是 PA 体系中 qΔVnr 显著减小（约 55–60 meV）的主要来源，并通过三元器件实验验证了调控 P-interface 比例对提升 VOC 的实际效果。

Figure 2. Morphology analysis for the E- and P-interface. (a) and (b) The full width (FWHM) at half maximum (histograms), Herman’s orientation parameters (H), and intermix factor (Λ) of  𝜋-𝜋 stacking peak at OOP direction of PA system and SMA system. (c) The lamellar features in blend films are a combination of the individual lamellar features for donor and acceptors, normalized to neat donor films. The higher rDoC for actual lamellar feature compared to expected rDoC indicates that the mixed phase contains the packed lamellar order in excess of expected. (d) The edge-on diffraction intensity (of diffraction ring) ratio to lamellar stacking peak for two systems.

Figure 3. Simulated illustration for P- and E-interface of two systems. (a) The MD illustration for the shape of E- and P-interface with parallel and crossing structures. (b) Calculated HuangRhys factor for two systems with varying dihedral angle. (c) Schematic diagram of the potential energy curves for the S0 states, CT states for E- and P-interfaces, S1 diabatic states of PA and SMA systems with their reorganization energy。

Figure 4. Charge carrier kinetics and illustrations. (a) Hole transfer kinetics from PP-TAS of PA and SMA systems fitting by tri-exponential function, where 𝜏𝑛 present the time constant of two interfaces and diffusion-limited transfer, and An are the weight coefficient for each term; (b) The ratio of A1 and A2 for two systems. (c) Bound CTEs separation kinetics from PPP-TAS at representative EA response wavelength for PA and SMA system. (d) Illustration of the dual charge generation pathways originating from the E-and P-interfaces, highlighting their distinct population ratios and charge transfer time. Grey shaded shape on (a) represents the laser pulse width of transient absorption experiments showing the high time resolution here.

Figure 5. Energy loss and non-radiative energy loss analysis by simulation and experiments. (a) Eloss and qΔVnr of PA and SMA system with increased D-A ratio. (b) The simulated 𝑘_r and 𝑘_nr， and (c) corresponding simulated qΔV_nr are plotted for the cases of low (red), moderate (yellow), and high S (blue) as a function of ΔE_S1-CT by considering the empirical parameters. (d) The simulated 𝑘_r and  𝑘_nr as a function of S by considering the experimental parameters. (e) The expected qΔV_nr for P- and E-interface of two systems as a function of S, and the comparison to experimental qΔV_nr from devices. (f) J–V curve of the optimal devices based on D18-PYIT-eC9 with ratio of 1-0.2-1 according to the pseudo-bulk heterojunction (layer-by-layer) ternary strategy.

Figure 6. Mechanism diagram and universality of more pronounced P-interface with weaker EPC reducing non-radiative voltage loss in OPVs. (a) the calculated S factor value of SMA, PA and ternary systems, (b) the calculated ΔrDoC of SMA, PA and Ternary systems; (c) the summarization of many reported energy losses in literatures about two systems; (d) the photogenerated excitons diffuse from pure phase to interface, following the exciton dissociation to CTEs at E-interface (intermix region, deep red bracket covered region) and P-interface (transition region filled by quasi-aggregates and penetrated polymer chain or molecules, light red bracket covered region), and finally CTEs separation to free charges.

总结与展望

本文从界面结构的角度，系统揭示了有机太阳能电池中非辐射能量损失的重要物理机制。研究表明，供体–受体界面并非单一无序区域，而是至少包含 E-interface 与 P-interface 两种本质不同的结构单元，其中 P-interface 由于具有更弱的电子–声子耦合，在抑制非辐射复合和促进高效电荷产生方面发挥关键作用。

作者进一步指出，全聚合物体系由于更强的界面贯通性，更有利于形成占比更高的 P-interface，从而在低能量偏移条件下实现更低的电压损失。这一发现为解释全聚合物太阳能电池相较 SMA 体系更低的 qΔVnr 提供了统一的结构—物理图像。

从应用角度看，本文提出通过调控界面中 P-interface 的“人口比例”来抑制 EPC，为未来 OSC 的材料设计和形貌调控提供了清晰方向。作者认为，诸如三元体系、伪体异质结结构及界面工程策略，均可在这一框架下重新理解与优化，为进一步突破有机太阳能电池效率瓶颈奠定了物理基础。

参考文献

(1) Chen, XK., Qian, D., Wang, Y. et al. A unified description of non-radiative voltage losses in organic solar cells. Nat Energy 6, 799–806 (2021).

课题组介绍

吴佳莹教授现担任香港科技大学（广州）功能枢纽先进材料学域助理教授、香港科技大学工学院化工与生物分子工程系兼职助理教授。吴教授于2013年获得电子科技大学（微电子与固体电子学院）学士学位；随后在英国伦敦帝国理工学院获得硕士（2013-2014）和博士学位（2015-2019），师从世界顶尖光电物理化学学家、英国皇家科学院院士 - James R. Durrant教授；后继续在Durrant课题组从事博士后研究（2019-2021）。

吴教授的研究方向为材料光物理与器件物理。其研究的材料主要运用于有机/钙钛矿太阳能电池和光电探测器等光电转化领域。她的研究主要通过超快吸收光谱以及瞬态光电等光谱实验手段，研究光电材料的作用过程中的载流子动力学，分析解释材料和器件的作用机理，为材料设计和器件优化提供指导思路。吴教授带领的材料先进表征与分析团队，旨在攻克新型材料与技术中的基础难题。课题组具有实验室空间和全新的实验设备，欢迎报考硕士、博士，申请联培研究生、科研助理和博士后。

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