香港理工大学李刚/任志伟，Nature Materials！

米测MeLab

2026-03-30

特别说明：本文由米测技术中心原创撰写，旨在分享相关科研知识。因学识有限，难免有所疏漏和错误，请读者批判性阅读，也恳请大方之家批评指正。

编辑丨风云

研究背景

薄膜太阳能电池因其轻便、灵活和低成本等优势，被视为传统硅基电池的重要替代品。然而，在实际部署中，云层、树木或建筑物造成的局部阴影遮挡会使电池进入反向偏压（V_R）状态。钙钛矿太阳能电池（PSCs）在此状态下由于电子-离子混合导电特性，极易发生不可逆击穿。

关键问题

目前，薄膜太阳能电池的开发主要存在以下问题：

1、钙钛矿电池耐受性极差

钙钛矿材料在反向偏压下表现出严重的离子迁移和低击穿电压，通常在低于–10 V时就会发生失效，导致严重的性能退化。

2、有机电池反向机制不明

作为串联电池的另一半，有机太阳能电池（OSCs）在反向偏压下的电荷传输行为及其对器件击穿的根本影响长期被忽视，缺乏系统性的理论解释。

新思路

有鉴于此，香港理工大学李刚、任志伟团队、北卡罗来纳大学教堂山分校黄劲松、宁波大学黄利克、香港科技大学(广州)吴佳莹等人首先阐明了OSCs中的反向隧穿机制，该机制从根本上由本体异质结内的深陷阱态主导，在反向偏压下引发可逆/不可逆击穿。基于此，通过抑制给体-受体混合区域中的孤立受体团簇来调节深陷阱态，证明了不可逆击穿电压超过–35 V的高性能OSCs。此外，通过策略性地利用具有抑制反向隧穿的OSC屏蔽钙钛矿，n–i–p钙钛矿-有机串联太阳能电池在承受–40 V电压时仍保持超过90%的初始效率。这些串联器件在–20 V下测试12小时和在–4.5 V下测试2000小时后，分别保持了90%和97%的初始效率，优于所有现有的薄膜太阳能技术。在大规模串联电池微型模块中也证实了卓越的反向偏压稳定性。

技术方案：

1、考察了典型p-i-n结构OSCs在黑暗环境下的反向偏压性能

研究人员考察p-i-n结构OSCs反向偏压性能，发现–28 V时发生热击穿导致不可逆损坏，增加了活性层厚度可提升击穿电压，存在特殊电荷传输途径。

2、探究了反向电流的物理本质

研究发现OSCs反向电流源于深陷阱介导隧穿，陷阱来自给受体界面孤立受体团簇，混溶性差体系陷阱密度高、耐受性弱。

3、提出了引入聚合物受体PY-IT的三元共混策略

研究人员通过引入聚合物受体PY-IT优化形貌，将孤立分子比例降至3.70%，抑制反向隧穿，效率提升至19.60%，击穿电压显著提高。

4、证明了POTSCs在应对真实环境中遮挡挑战方面的巨大潜力

钙钛矿-有机串联电池效率达26.07%，有机子电池充当"电压屏障"，在–40 V反向偏压下保持90%效率，遮挡后性能完美恢复。

技术优势：

1、首次阐明了有机太阳能电池的反向击穿机制

本文首次发现并证明了有机太阳能电池的反向击穿是由本体异质结中孤立受体团簇引发的“深陷阱介导隧穿”产生的焦耳热引起的。

2、创造了薄膜电池反向耐压的新纪录

研究通过三元策略优化有机层并构建n-i-p串联结构，实现了在–40 V下保持90%效率的超高稳定性，创造了薄膜电池反向耐压的新纪录。

技术细节

有机太阳能电池的反向击穿现象与热退化机制

研究人员首先系统考察了典型p-i-n结构OSCs在黑暗环境下的反向偏压性能。实验表明，反向电流（J_R）在低电压区间（0至–15 V）维持在较低水平，但随着电压进一步增大，电流开始迅速攀升。扫描至–25 V后，器件光电转换效率（PCE）仍能完全恢复，表明此时属于可逆过程；但当电压达到–28 V时，器件发生瞬时局部火花（热击穿），导致活性层和银（Ag）电极出现明显的物理损坏区域。通过SEM和XPS分析确认，这种不可逆损坏是由高JR产生的焦耳热引发的局部热失控所致。由于活性层极薄，产生的局部高温（可能超过440°C）会导致有机材料分解以及金属电极的侧向迁移与脱落。研究还发现，增加活性层厚度能有效降低反向电流并提升击穿电压，例如650 nm厚的器件V_RB可超过–42 V。温度依赖性测试排除了雪崩击穿的可能性，传统的隧穿模型也无法解释该J_R-V_R关系，这暗示了存在特殊的电荷传输途径。

图  V_R下OSC的不可逆和可逆击穿

深陷阱态介导的反向隧穿及其物理起源

为了探究反向电流的物理本质，研究团队利用高灵敏度外部量子效率（s-EQE）和光热偏转光谱（PDS）发现，OSCs活性层内普遍存在深度在0.5–0.8 eV之间的深陷阱态。分析表明，高反向偏压下的导电机制可以描述为“深陷阱介导的隧穿”：电子通过这些陷阱辅助，从给体的HOMO能级隧穿至受体的LUMO能级。通过对不同给受体体系的对比，研究发现陷阱深度和密度与反向电流大小高度正相关。进一步的分子动力学模拟和GIWAXS测试揭示了这些陷阱的起源——即给受体界面混合区中的“孤立受体团簇”。在混溶性较差或过度混合的体系中（如PTB7:PCBM），大量无法形成连续传输路径的孤立受体分子成为了电荷聚集的深陷阱，极大地增强了反向隧穿概率。相比之下，能够形成长程连续聚集体的受体系统（如PY-IT）具有更少的孤立分子和更低的深陷阱密度，从而表现出更强的反向偏压耐受性。

图  深陷阱介导的反向隧穿电流：击穿机制

三元策略协同提升效率与反向电压耐受性

基于上述发现，研究者提出了引入聚合物受体PY-IT的三元共混策略（PM6:BTP-eC9:PY-IT）。加入10%-20%的PY-IT后，OSC的效率从17.97%提升至19.60%，且不可逆击穿电压（VRB）显著提高至接近全聚合物体系的水平。表面能分析和形貌表征显示，PY-IT倾向于分布在给受体混合区，通过动力学过程引导小分子受体BTP-eC9从离散的孤立团簇转化为更有序、连续的堆叠聚集体。GIWAXS和GISAXS测试证实，这种形貌优化将孤立分子比例从4.62%降低到了3.70%，显著减少了深陷阱态的密度，从而有效地抑制了反向隧穿电流。此外，这种结构优化还减少了非辐射能量损失，提升了短路电流和填充因子。这一发现提供了一种通过调节活性层微观形貌，“自下而上”协同优化光伏性能与器件反向偏压稳定性的通用方法。

图  实现OSC高PCE和V_RB的三元策略

高性能钙钛矿-有机串联电池及其阴影稳定性应用

最后，研究者构建了n-i-p结构的钙钛矿-有机串联太阳能电池（POTSCs），冠军器件效率达26.07%。由于有机子电池具有受控的低反向电流，它在串联结构中充当了“电压屏障”的角色。在极端阴影导致的–40 V反向偏压下，有机子电池分担了约–30 V的电压，使脆弱的钙钛矿层仅承受约–10 V，从而有效抑制了钙钛矿层中的离子迁移和结构降解。实验显示，POTSCs在–40 V压力下可保持90%的初始效率，且在–4.5 V（约两倍工作电压）下连续运行2000小时后性能几乎未下降，相比之下，纯钙钛矿电池在相同条件下迅速失效。大面积微型模块测试进一步证实，即使其中一个子电池被完全遮挡产生–15 V反向偏压，模块电流仍能保持稳定，且在阴影移除后性能完美恢复。这一成果证明了POTSCs在应对真实环境中遮挡挑战方面的巨大潜力，为开发长寿命、高可靠性的柔性薄膜光伏系统开辟了新路径。

图  POTSC的性能和V_R稳定性

图  POTSC微型模块的阴影稳定性

展望

本研究深刻阐明了有机太阳能电池中由孤立团簇产生的深陷阱态是导致反向偏压失效的根源。通过引入三元策略优化活性层微观结构，不仅提升了能量转换效率，更成功抑制了反向隧穿电流。将此类具备高电压耐受性的有机电池与钙钛矿电池串联，能有效保护后者免受极端电压损坏，使串联电池在–40 V下的稳定性优于所有现有薄膜技术。该工作为推动钙钛矿基串联电池在复杂光照环境下的实际应用提供了核心理论支持与技术方案。

参考文献：

Huang, J., Han, Y., Ren, Z. et al. Perovskite–organic tandem solar cells with superior reverse-bias stability. Nat. Mater. (2026). 

https://doi.org/10.1038/s41563-026-02541-6