魏国丹&张光烨等人Joule详细解读：紫外吸收TADF材料助力有机光伏实现20.6%效率|张光烨|激子|能级|跃迁|辐射|量子网络|魏国丹

第一作者：Yuan Li、Zhaoyun Jin、Chuanlin Gao通讯作者：魏国丹、康飞宇、Wu Chengcheng、张光烨、Li Yongxi通讯单位：清华大学、深圳技术大学、南京大学研究亮点：

设计合成了一种新型紫外吸收TADF材料BPhA-QAO（ΔEST = 0.06 eV，PLQY = 89%），其发射光谱与PM6/D18的吸收光谱高度重叠，实现了高效的Förster共振能量转移（FRET效率94.4%），将高能紫外光子转化为可利用的激子，减少了热化损失。
BPhA-QAO通过非共价分子间耦合与聚合物给体发生特异性相互作用，将PM6的单线态能级从1.95 eV降至1.92 eV、三线态能级从1.85 eV升至1.87 eV，单线态-三线态能隙缩窄至50 meV，使三线态激子通过反向系间窜越（RISC）回收到单线态。
这一策略使PM6:L8-BO体异质结器件效率达19.8%，D18基逐层（LbL）器件效率达20.6%（认证20.18%），入选当前TADF辅助OPV的最高效率之一，同时器件热化损失降低12.5%，T80寿命从320小时延长至490小时。

一、本研究针对的问题与挑战
单结有机光伏电池受到严重的热化损失限制——高能光子（尤其是紫外光）激发产生的热载流子，其多余能量会迅速通过分子振动以热量形式耗散，而非转化为光电流，这不仅限制效率，还加速器件老化。传统的多结叠层和单线态裂分策略虽能部分缓解热化损失，但存在工艺复杂或效率低下等问题。二、成果简介本文清华大学魏国丹、康飞宇、Wu Chengcheng、深圳技术大学张光烨、南京大学Li Yongxi等人设计了一种紫外吸收型热激活延迟荧光（TADF）材料BPhA-QAO，作为多功能激子调控剂，通过特异性非共价分子间耦合与聚合物给体（PM6/D18）作用，实现双重协同调控：一方面，BPhA-QAO通过高效的Förster共振能量转移（FRET）将高能紫外光子转化为给体激子，提升光子利用率；另一方面，BPhA-QAO精确调控给体的能级结构——降低单线态能级以抑制辐射复合、延长激子寿命，提升三线态能级以抑制三线态激子积累，缩窄单线态-三线态能隙（ΔEST = 50 meV）使三线态激子通过RISC回收到单线态，实现“三线态激子回收”。这一策略同时抑制了热化损失和非辐射复合损失。基于PM6:BTP-4F和PM6:L8-BO的体异质结器件效率分别达18.3%和19.8%；D18基逐层（LbL）器件效率达20.6%（认证20.18%），入选TADF辅助OPV的报道最高效率之一，且器件运行稳定性显著提升。三、结果与讨论要点 1 BPhA-QAO的分子设计与FRET验证

BPhA-QAO的分子结构以喹啉并吖啶二酮为母核，通过苯基氨基取代延伸共轭。DFT计算显示其HOMO和LUMO空间分离明显，ΔEST仅为0.06 eV（通过300 K荧光和77 K磷光测量证实），TADF特征显著。BPhA-QAO薄膜在350 nm激发下PLQY高达89%，显示出高效利用高能光子的潜力。

BPhA-QAO在300–600 nm范围内有宽谱吸收（λmax=375 nm），其荧光发射光谱与PM6的吸收光谱存在显著重叠，这是实现FRET的关键先决条件，而BPhA-QAO与BTP-4F之间无光谱重叠。在350 nm激发下，PM6:BPhA-QAO共混膜的PL光谱中BPhA-QAO的发射峰（610 nm）完全消失，而PM6的发射峰（700 nm）强度约为纯PM6膜的三倍，直接证明了从BPhA-QAO到PM6的高效FRET。TRPL测量表明，随着PM6比例增加，BPhA-QAO的激发态寿命从10.8 ns逐步缩短至0.6 ns，FRET效率高达94.4%，FRET速率常数（15.74×10⁸ s⁻¹）远超BPhA-QAO的本征衰减速率（0.93×10⁸ s⁻¹），表明FRET已成为BPhA-QAO激子衰减的主导路径。相比之下，对照TADF材料QAO的FRET效率仅20.4%。

要点 2 BPhA-QAO与PM6的非共价分子间耦合与结构有序化

ESP计算显示，BPhA-QAO中羰基和N原子附近呈现强负电势，而PM6主链的O原子（羰基）呈现强负电势，两者之间存在强烈的非共价偶极-偶极相互作用驱动力。FTIR证实，PM6的C-S伸缩峰从820 cm⁻¹移至824 cm⁻¹，C=O伸缩峰从1648 cm⁻¹移至1643 cm⁻¹，直接证明了非共价键的形成。Flory-Huggins相互作用参数计算显示PM6:BPhA-QAO的χ值为0.029（远小于PM6:BTP-4F的0.231），表明两者具有优异的相容性。

变温PL是证明分子间耦合稳定PM6分子有序性的核心证据。在77 K下，纯PM6和PM6:BPhA-QAO均呈现700 nm（0-0跃迁）和780 nm（0-1跃迁）两个分辨良好的峰。升温至297 K后，纯PM6的有序结构被热扰动破坏（0-0/0-1峰强度比变化），而PM6:BPhA-QAO共混膜仍保持清晰分辨的0-0和0-1峰，证明分子间耦合有效抑制了热扰动。Arrhenius拟合表明，PM6:BPhA-QAO的激子解离能垒从58.5 meV降至46.0 meV，证实有序分子堆积增强了电子离域。GIWAXS显示PM6:BPhA-QAO的π-π（010）堆积峰和层状衍射峰强度均增强，层状d间距减小，证明分子堆积更紧密有序。

要点 3 能级调控与激子动力学管理

瞬态吸收光谱显示，400 nm激发下PM6:BPhA-QAO薄膜的GSB信号（630 nm）强度高于纯PM6，归因于BPhA-QAO的强UV吸收和FRET能量转移。更重要的是，PM6:BPhA-QAO中PM6的单线态激子寿命从纯PM6的70.5 ps延长至110.8 ps（1:0.2比例），证明BPhA-QAO有效抑制了激子复合。

变温PL进一步确认了能级调控：纯PM6的S₁和T₁分别为1.95和1.85 eV；与BPhA-QAO共混后，S₁降至1.92 eV（降低了辐射复合速率kr），T₁升至1.87 eV。这一缩窄的ΔEST（50 meV）使RISC成为可能，延迟荧光测量证实PM6:BPhA-QAO在575 nm激发下（排除FRET影响）仍出现明显的延迟荧光信号，而纯PM6无此信号，直接证明了三线态→单线态激子回收。

在BHJ共混膜中，NIR-TAS显示PM6:BTP-4F:BPhA-QAO的单线态激子寿命从二元膜的37 ps延长至116 ps（350 nm激发）和从135 ps延长至170 ps（800 nm激发），表明能级调控独立于FRET过程稳定地延长了激子寿命。同时，三线态激子相关的PIA信号（1450 nm）在共混膜中强度和斜率均更小，表明三线态激子生成被抑制。文章指出，S₁降低直接减少了辐射复合速率（kr与ΔE³成正比），T₁升高抑制了从CT态到三线态的跃迁，ΔEST缩窄则通过RISC将已生成的三线态激子回收为单线态，三重机制协同减少了能量损失

要点 4 器件性能与热化损失降低

PM6:BTP-4F对照器件PCE为16.4%，加入BPhA-QAO后提升至18.3%（Voc 0.851 V，Jsc 27.86 mA/cm²，FF 77.1%）。PM6:L8-BO体系从18.4%提升至19.8%（Voc 0.890 V，Jsc 27.64 mA/cm²，FF 80.9%），EQE积分电流与J-V吻合良好。

红外热成像直接验证了热化损失的降低：稳态光照下，对照膜平衡温度为43°C，共混膜降至39°C，加热速率从1.75×10⁻² °C/s降至1.53×10⁻² °C/s，降幅12.5%。

能量损失分析表明，对照器件的非辐射复合损失ΔE₃为0.258 V，三元器件降至0.242 V，源于T₁升高抑制了CT态→三线态的非辐射通道。Urbach能量从26.2 meV降至22.9 meV，证实了更低的能量无序度。光强-Voc拟合显示理想因子从1.39 kT/q降至1.04 kT/q，EIS复合电阻从3166 Ω升至4936 Ω，C-AFM光电流差增加约三倍，均证实了激子解离、电荷提取和复合抑制的全面改善。

要点 5 D18基LbL器件中的普适性验证

BPhA-QAO的发射与D18的吸收同样高度重叠，350 nm激发下D18:BPhA-QAO共混膜的PL强度明显高于纯D18，证实了FRET在D18体系中的有效性。FTIR中D18的C-S伸缩峰从818 cm⁻¹移至824 cm⁻¹，UV-vis中D18的0-0跃迁从587 nm红移至591 nm且0-0/0-1强度比提升，证明同样的分子间耦合机制在D18中同样适用。

D18/L8-BO LbL器件从19.5%提升至20.3%，D18/L8-BO-X器件达20.6%（认证20.18%），入选TADF辅助OPV的最高报道效率之一。MPP追踪显示T80寿命从320小时延长至490小时。

四、小结

本文设计了一种紫外吸收型TADF材料BPhA-QAO，通过特异性非共价分子间耦合与聚合物给体（PM6/D18）实现双重激子管理：FRET将高能紫外光子转化为给体激子，能级调控（S₁降低、T₁升高、ΔEST缩窄至50 meV）延长了单线态寿命并实现了三线态→单线态的RISC回收。该策略同步抑制了热化损失和非辐射复合损失，并在PM6和D18两种给体、BHJ和LbL两种器件架构中均表现出优异的普适性，实现了20.6%的认证效率。该工作为通过TADF敏化剂实现单结有机光伏热化损失抑制提供了全新的分子设计原则。

五、参考文献

Li, Y., Jin, Z., Gao, C. et al. Efficient organic photovoltaics with thermalization-controlled exciton management. Joule 10, 102520 (2026).

https://doi.org/10.1016/j.joule.2026.102520