界面层（CIL）对有机太阳能电池（OSCs）的电子提取和电荷复合过程具有关键调控作用，但现有高性能CIL材料普遍受限于导电性不足、复合率高和形貌不均等问题，严重制约器件效率与稳定性。
2025年7月18日，北京航空航天大学郭林、中国科学院大学黄辉、蔡芸皓在国际知名期刊Nature Materials发表题为《Organic solar cells with 21% efficiency enabled by a hybrid interfacial layer with dual-component synergy》的研究论文，Congqi Li、Yunhao Cai、Pengfei Hu为论文共同第一作者，郭林、黄辉、蔡芸皓为论文共同通讯作者。
本研究通过双组分协同策略，开发了一种无机-有机杂化CIL材料（AZnO-F3N），将有机材料PNDIT-F3N与二维非晶氧化锌相结合。
该设计利用二维非晶氧化锌与PNDIT-F3N的协同效应，成功实现界面缺陷减少（降低42%）、电导率提升（提高3个数量级）和薄膜均匀性改善（表面粗糙度）。
基于AZnO-F3N的OSCs表现出更高效的电荷提取与传输特性，同时非辐射复合损失降低至0.18 eV。采用D18:L8-BO活性层的二元器件效率达20.6%，而引入BTP-eC9作为第三组分后效率进一步提升至21.0%（认证效率20.8%）。
该CIL材料在不同活性层体系（PM6:Y6等）、厚膜器件（300 nm）和柔性基底上均展现优异适配性，经1000次弯曲循环后仍保持95%初始效率，为OSCs技术发展提供了普适性界面解决方案。
图1. 二维非晶氧化锌（2D A-ZnO）的合成与表征。a) 超薄非晶ZnO纳米片（2D A-ZnO）的合成路线示意图；b) 2D A-ZnO的SEM图像；c,d) 2D A-ZnO的TEM图像（c）及对应的SAED图谱（d）；e) 2D A-ZnO的高分辨TEM图像；f) 两片单层2D A-ZnO的AFM图像；g) 2D A-ZnO薄膜的TUNA图像。
图2. 形貌研究。a–c) 活性层上2D A-ZnO（a）、F3N（b）和AZnO-F3N（c）薄膜的HAADF-STEM图像；d–f) 2D A-ZnO（d）、F3N（e）和AZnO-F3N（f）薄膜在活性层上的形貌示意图（橙色片层代表2D A-ZnO，紫色纤维代表F3N）。
图3. F3N与二维非晶氧化锌（2D A-ZnO）的双组分协同效应。a,b) F3N薄膜(a)和AZnO-F3N薄膜(b)的N1s轨道XPS及分峰拟合结果；c) F3N与AZnO-F3N薄膜的碳K边软X射线吸收谱；d,e) 400 nm激发下F3N(d)和AZnO-F3N(e)薄膜在不同延迟时间的瞬态吸收谱（2D A-ZnO在400 nm无吸收，仅激发F3N组分）；f) 620 nm处探测的F3N与AZnO-F3N薄膜瞬态吸收衰减动力学；g) 2D A-ZnO与AZnO-F3N的态密度(DOS)分布（价带顶能量设为零点），PDOS：分波态密度，TDOS：总态密度；h) AZnO-F3N的优化结构及电荷密度差分图；i) AZnO-F3N沿z轴的电荷位移分布，黄色(蓝色)区域对应电子积累(耗尽)。
图4. 光伏性能表征。a) 基于AZnO-F3N的OSCs器件结构示意图；b) 不同CIL体系（F3N/AZnO-F3N）的D18:L8-BO基器件及AZnO-F3N CIL的D18:L8-BO:BTP-eC9基器件的J-V曲线；c) 20个F3N与AZnO-F3N CIL器件的能量转换效率(PCE)统计分布直方图；d) 文献报道高效OSCs的认证PCE与认证填充因子(FF)关联图；e) 上述三种器件的外量子效率(EQE)光谱曲线；f) CIL厚度对D18:L8-BO基器件PCE的影响。
图5. 器件物理与超快过程表征。a) D18:L8-BO/F3N和D18:L8-BO/AZnO-F3N共混膜的表面光电压(SPV)对比；b) 以F3N和AZnO-F3N为CIL的D18:L8-BO基器件缺陷态阿伦尼乌斯曲线。数据点通过深能级瞬态谱(DLTS)信号的离散拉普拉斯变换获得，实线为线性拟合结果（τ：载流子发射时间常数；υth：热运动速率；NC：电子有效态密度）；c) 能带隙中深能级陷阱示意图，峰位与峰高分别对应陷阱深度与密度（HOMO：最高占据分子轨道；LUMO：最低未占分子轨道）；d-f) 基于不同CIL的D18:L8-BO器件：暗态J-V曲线(d)、温度依赖空间电荷限制电流法测得的电子迁移率随(1000/T)2变化曲线(e)及电荷提取曲线(f)，Norm.表示归一化；g-h) 400 nm激发下D18:L8-BO/F3N(g)和D18:L8-BO/AZnO-F3N(h)共混膜在不同延迟时间的瞬态吸收谱；i) 1400 nm处探测的归一化衰减动力学曲线（各样品已扣除900 nm处单线态激子动力学信号）。
本研究通过二维非晶氧化锌（2D A-ZnO）与有机半导体PNDIT-F3N的双组分协同策略，成功开发出高性能阴极界面材料AZnO-F3N。
这一创新设计充分发挥无机氧化物与有机半导体的协同效应，通过物理交联构建稳固的复合体系，使杂化CIL兼具优异的电子传输性能（电导率提升3个数量级）与成膜特性（表面粗糙度）。
基于该材料的二元和三元OSCs分别实现20.6%和21.0%的认证效率，填充因子（FF）突破82.5%，性能指标媲美钙钛矿太阳能电池。
AZnO-F3N CIL显著提升器件的光稳定性（T80寿命延长至1500小时）和厚度耐受性（300nm活性层效率损失），展现出规模化生产潜力。
研究进一步通过多种杂化CIL的普适性验证，确立了双组分协同策略的通用设计范式，为理解界面层对OSCs性能演化的关键作用提供了新视角。
Li, C., Cai, Y., Hu, P. et al. Organic solar cells with 21% efficiency enabled by a hybrid interfacial layer with dual-component synergy. Nat. Mater. (2025). https://doi.org/10.1038/s41563-025-02305-8