近日，国家纳米科学中心在有机太阳能电池新材料创制和高性能器件构筑方面取得重要进展。研究团队通过精巧分子设计与深入理论机理研究，创新性提出了“三重限制振动”的分子设计理念和“垂直偏析合金”的三元工作机制，成功破解了长期制约有机光伏性能提高的电流-电压严重相互制衡的瓶颈难题，为高性能有机光伏材料的设计开辟了全新路径。相关成果以“Narrow-bandgap acceptors with low energetic disorder achieve over 21% efficiency in organic solar cells”为题发表在《自然材料》上（Nat. Mater. 2026, DOI:10.1038/s41563-026-02589-4.）
有机太阳能电池因轻质、柔性、颜色可调、可溶液加工等优点，在可穿戴能源、建筑光伏一体化、太空光伏等领域具有广阔的应用前景。然而，该领域长期面临着一个核心难题：短路电流密度（JSC）与开路电压（VOC）相互制衡，严重限制效率提升。传统窄带隙材料设计策略虽然能增强光吸收、提高JSC，但受限于能隙定律（𝑘𝑛𝑟∝exp(−𝛽𝐸𝑔)）的限制，窄带隙往往带来较大的能量损失，导致VOC下降，形成“提升电流必牺牲电压”的行业困境。因此，如何在窄带隙下同步降低能量损失、实现JSC与VOC的协同优化，成为领域内面临的重大挑战。与无机材料相比，有机材料由于其柔性特性，具有强烈的电子-振动耦合，且能量无序与该耦合高度相关。高能量无序度是造成非辐射复合能量损失的关键因素。此外，较强的能量无序还会引发能级拖尾效应，进一步减小带隙，进而造成更为严重的VOC 损失。因此，从分子设计源头降低材料的能量无序度，既是减少能量损失的关键，也是解决VOC和JSC之间矛盾的核心手段。
国家纳米科学中心魏志祥和吕琨研究团队长期聚焦于降低有机光伏能量损失这一问题。团队前期利用喹喔啉（Qx）单元的低重组能的优势，揭示了“抑制振动、固化构象”是降低能量无序、减少能量损失的关键（Nat. Commun., 2022, 13, 3256; Adv. Energy Mater. 2023, 2300458; Adv. Mater. 2025, 2504805）。为克服传统窄带隙分子中的能隙定律限制，实现短路电流和开路电压的协同提升，团队提出了中心单元、端基、中心骨架“三重限制振动”的窄带隙分子设计策略，合成了新型窄带隙受体材料Qx-Se-NF（图1a）。该分子巧妙融合了低重组能的Qx中心单元、萘基稠合端基（NF）以及硒（Se）原子取代的中心骨架结构。NF稠合端基不仅能增强电子离域并增强分子间相互作用、红移光谱吸收，还能抑制分子畸变引起的构象变化，减少重组能和能量无序度；Se取代中心骨架既能抑制分子扭转、降低能量无序，又可增强分子内电荷转移，显著拓宽吸收光谱。这一协同设计使Qx-Se-NF的光学带隙降至1.31 eV，显著增强光子捕获能力，有利于提升光电流。理论计算表明，Qx-Se-NF具有较弱的电子-振动耦合和受限构象畸变，从而实现了低的动态和静态能量无序度（图1b），从物理本质上揭示了其能量损失小的核心原因；同时，硒取代和萘端基的引入赋予了分子更强的分子间相互作用和有序聚集倾向。实验上二元光伏器件实现了高达28.41 mA cm-2的JSC的同时，能量损失低至0.505 eV。
在创新分子设计的基础上，团队提出了一种理想的三元模型（垂直偏析合金模型，图1c）：利用受体组分（Qx-Se-NF与L8-BO）结晶差异诱导相分布，利用组分表面能差异调控相界面，进而构筑高度有序聚集体。主体受体L8-BO倾向于在上层和给受体界面处富集，Qx-Se-NF倾向于下层富集，受体相内形成梯度垂直分布。该模型充分发挥了Qx-Se-NF基分子强聚集和强吸光的特性，全面优化了电荷分离界面、传输通道和光子捕获。基于上述分子结构与聚集体有序性的双重调控，器件实现了三个关键参数的协同提升（图1d）：获得高达28.82 mA cm-2的JSC的同时，将能量损失降至0.486 eV，最终获得了21.21%的纪录效率（图1e，经国家太阳能光伏产品质量检验检测中心（CPVT）认证效率为21.12%，国家光伏产业计量测试中心（NPVM）认证效率为21.01%）。1 cm2刚性器件认证效率达到19.48%。此外，Qx-Se-NF体系还展现出优异的非卤溶剂加工性能（图1f）；使用邻二甲苯（o-XY）作为加工溶剂，通过狭缝涂布技术制备的柔性大面积器件（1 cm2）和柔性模组（36 cm2）分别实现了17.70%和17.10%的高效率。这证明了该材料体系在大规模印刷、柔性光伏制造中的巨大潜力。
图1. a, Qx-Se-NF的分子结构；b, 理论计算的总能量无序以及静态和动态无序分量；c, 三元器件新模型示意图；d, 二元及三元器件的电流密度-电压曲线图；e, 已有文献和本工作中(标记为红星)报道的高效有机光伏的短路电流与开路电压散点图；f, 基于PM6:Y6、PM6:L8‑BO和PM6:L8‑BO:Qx‑Se‑NF的1平方厘米柔性有机太阳能电池的器件性能参数对比雷达图。
国家纳米科学中心特别研究助理陶靖、博士生张驰、赵启明、特别研究助理田晨阳为论文的共同第一作者，国家纳米科学中心吕琨研究员、朱凌云研究员、魏志祥研究员为共同通讯作者。本研究工作得到国家自然科学基金重点项目、中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队项目、北京市自然科学基金重点项目的资助。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41563-026-02589-4
