近日，南华大学机械工程学院李振业教授团队在Nature Communications上发表了题为“Spin-manipulation via novel MoPS3nanocrystal for high-performance thick-film organic solar cells”的重要研究成果。该研究创新性地提出了一种基于自旋调控的激子动力学优化策略，通过开发新型二维铁磁MoPS3纳米晶，在活性层内自发形成弱内禀磁场并通过重原子效应增强自旋-轨道耦合，显著促进单重态激子向长寿命三重态激子的系间窜越过程，延长了激子扩散长度，并抑制了非辐射复合损失，最终实现厚膜有机太阳能电池光伏性能的显著增强，对推动有机太阳电池实现大规模卷应用具有重要的科学价值。李振业教授为论文第一作者及通讯作者，南华大学机械工程学院为论文第一署名单位。
活性层激子动力学的精准调控是突破有机太阳能电池厚膜化瓶颈、推动其产业化的关键。然而，传统厚膜活性层中激子扩散长度有限，单重态激子在到达给体/受体界面之前易发生非辐射复合，严重制约了器件性能的进一步提升。
基于此，李振业教授团队创新性地提出了一种基于自旋调控的激子动力学优化策略，开发新型二维铁磁性MoPS3纳米晶并将其作为多功能添加剂掺入活性层中。MoPS3纳米晶不仅能与给/受体材料发生特异性配位，优化分子堆积结构，还能在活性层内引入弱内禀磁场，通过重原子效应增强自旋-轨道耦合，显著促进单重态激子向长寿命三重态激子的系间窜越过程（图1）。MoPS3的掺入有效缩小了单重态-三重态能隙，延长了激子扩散长度，并抑制了非辐射复合损失。将MoPS3纳米晶掺入D18-Cl:L8-BO二元共混体系后，器件形成了更有序的分子堆积和更精细互穿的纤维网络结构。MoPS3可通过延长激子扩散长度、提升电荷迁移率并维持迁移率平衡，显著降低陷阱辅助复合与双分子复合损失，最终实现器件关键光伏参数的协同增强。基于该策略，D18-Cl:L8-BO体系在100 nm厚度下实现了20.37%的效率，且在300 nm厚膜下仍保持19.36%（认证值19.13%）的创纪录效率；该策略还成功拓展至其他材料体系，如D18:L8-BO（100 nm/300 nm效率达20.91%/19.63%）和PM6:Y6（100 nm/300 nm效率达19.13%/17.92%），展现了广泛的适用性和可扩展性。该策略不仅实现了多体系有机太阳能电池效率的跨越式提升，更有效解决了厚膜器件效率衰减的行业痛点，显著增强了有机太阳能电池的产业化应用潜力，对推动有机光伏技术的实用化进程具有重要意义。
（a）单层MoPS3的结构；（b）含有自旋-轨道耦合与（c）不含自旋-轨道耦合的MoPS3的能带结构图;（d）D18-Cl与L8-BO之间相应的S1、T1、CT以及在有/无MoPS3纳米晶体的情况下的电荷转移
本研究由国家自然科学基金、湖南省自然科学基金以及南华大学博士启动基金联合资助。
论文连接：https://doi.org/10.1038/s41467-026-70320-7
