论文概览
室内有机光伏（OPV）与有机光电探测器（OPD）的双功能集成长期受限于界面热力学矛盾：OPV需高效电荷提取，OPD则需严控噪声电流。传统空穴传输层（HTL）难以兼顾二者，且存在成本高、稳定性差、难以大面积制备等问题。韩国高丽大学Jae Won Shim、Ji Hohon Jo团队设计了一种极简分子结构的自组装单层（SAM）材料BPA，仅含苯环核心与磷酸锚定基团，通过精准界面能级调控，成功实现OPV与OPD的双高性能。基于BPA的室内OPV效率达28.6%（1000 lx LED），面积放大220倍后仍保持93%效率；作为自供电OPD，其噪声等效功率低至584 fW，探测率达5.41×10¹¹ Jones。BPA合成工艺简单，成本仅0.042$/cm²，较传统SAM材料降低超720%，具备卓越的产业化潜力。该研究以“Bifunctionally Driven Organic Photonic Conversion Devices Facilitated by Minimalistic Synthesis-Based Interfacial Energetic Alignment”为题发表于《Advanced Materials》。
技术亮点
极简分子设计实现双功能协同：BPA以苯环-磷酸基为核心，结构简单却能同步优化OPV的电荷提取与OPD的噪声抑制，解决传统HTL在双功能器件中的性能冲突。
界面能级精准调控：BPA在ITO表面形成均匀单层，显著提升功函数（+0.77 eV），增强能级对齐，促进空穴传输并抑制界面复合。
高性能与高稳定性兼备：室内OPV效率突破28.6%，OPD在自供电状态下具备高探测率与快速响应（3 dB带宽103 kHz），器件在1000小时连续运行后仍保持86.9%效率。
合成成本大幅降低：BPA合成无需复杂纯化步骤，成本仅为2PACz的1/8，单位功率成本比达19.25 mW/$，极具商业竞争力。
研究意义
✅打破功能壁垒：首次在单一界面层中实现OPV与OPD的高效协同，为自供电物联网（IoT）与可穿戴光电子提供核心材料解决方案。
✅极简合成引领产业化路径：BPA的合成路线简单、成本低廉，且具备优异的大面积均匀性与稳定性，推动有机光电器件从实验室走向应用。
✅量化评估体系完善：通过系统对比PEDOT:PSS、2PACz与BPA，建立从性能、成本到稳定性的全方面评估框架，为后续材料开发树立标杆。
深度精读
图1：器件结构与能级对齐设计
该图展示了有机光伏（OPV）和光电探测器（OPD）的器件结构（ITO/HTL/PM6:Y6/PDINO/Al），以及基于不同空穴传输层（HTL）的能级对齐情况。通过对比PEDOT:PSS、2PACz和BPA三种HTL的化学结构及能级排列，揭示了BPA在界面能级匹配上的优势——其HOMO能级（-6.04 eV）与活性层PM6:Y6更匹配，同时通过磷氧基团（PO₃²⁻）与ITO形成强锚定作用，显著提升开路电压（V<sub>OC</sub>达668 mV）。光学透射率曲线显示BPA在450-900 nm波段保持>95%透光性，优于PEDOT:PSS的明显吸收损耗。
图2：分子堆积与表面形貌表征
该图通过二维掠入射X射线散射（2D-GIWAXS）和原子力显微镜（AFM）分析了不同HTL上活性层的分子排列与表面形貌。BPA诱导的PM6:Y6薄膜呈现最高面朝上结晶比例（70%），π-π堆叠距离缩短至3.55 Å，优于2PACz（3.61 Å）和PEDOT:PSS（3.63 Å）。AFM显示BPA修饰的ITO表面粗糙度（RMS=2.4 nm）接近裸ITO（2.3 nm），而2PACz因分子体积大导致粗糙度增至3.2 nm。这种有序堆积与平滑界面共同促进了电荷的高效传输，为器件高填充因子（FF=74.5%）奠定基础。
图3：室内光伏性能与成本效益
该图对比三种HTL在2700K/6500K LED及荧光灯下的J-V曲线，BPA基器件在1000 lux下实现28.6%的室内效率，FF（74.5%）和JSC（165 μA/cm²）均领先。大面积器件（1 cm²）效率保持率达93%，远超2PACz（87%）和PEDOT:PSS（90%）的衰减表现。成本分析显示BPA合成步骤简化，单位面积成本仅0.042 $/cm²，功率成本比达19.25 mW/$，是2PACz的8.6倍。图中柱状图突显其在低照度（200-1000 lux）下的稳定输出优势。
图4：光电探测器噪声与响应特性
该图通过稳态电流瞬态测试和噪声分析，BPA基OPD在零偏压下实现17.3 fA的超低噪声电流，噪声等效功率（NEP）低至584 fW（730 nm）。时域响应曲线显示其上升时间（2.756 μs）比PEDOT:PSS（5.699 μs）快2倍，但下降时间略长（3.09 μs），可能与界面电容效应有关。线性动态范围（127 dB）和3 dB带宽（103 kHz）均优于对比组，图中SNR曲线证实其在弱光（<1 nW）下的高信噪比特性，满足自供电物联网传感器的需求。
结论展望
该团队凭借BPA的极简分子设计，成功攻克了OPV与OPD在单一器件中集成的核心挑战。该材料通过精准的界面调控，在实现28.6%的高效室内光电转换与fW级超低噪声探测的同时，更将成本降低了720%以上，最终在效率、稳定性与成本之间实现了卓越的平衡。这项突破性的界面工程方案，为下一代自供电物联网、柔性穿戴等光电子系统提供了理想的材料基础。
文献来源
S.Oh, H. C. Kim, J. H. Lee, T. H. Kim, O. Kwon, E. S. Shim, H. Ahn, J. W. Jo, J. W. Shim, Bifunctionally Driven Organic Photonic Conversion Devices Facilitated by Minimalistic Synthesis-Based Interfacial Energetic Alignment.Advanced Materials, 2025, 2503868.
DOI:10.1002/adma.202512209.
仅用于学术分享，如有侵权，请联系删除。
索比光伏网 https://news.solarbe.com/202509/24/50009259.html
