有机场效应晶体管和倒置钙钛矿太阳能电池因具有溶液加工、低温制备、柔性兼容和高性能潜力，在柔性电子、新型显示、光伏发电等领域受到广泛关注。然而，器件性能和长期稳定性仍受多尺度界面问题制约：在有机场效应晶体管中，聚合物分子堆积以及电极与半导体接触共同影响载流子注入与传输；在倒置钙钛矿太阳能电池中，空穴传输层与钙钛矿埋底界面的电荷抽取、缺陷钝化、离子迁移与形貌演化直接影响开路电压、光电转换效率和运行寿命。

围绕这一核心科学问题，张海昌教授团队通过分子设计将“界面作用”前移到材料源头，逐步建立起以 B←N 配位取向调控、卤键有序界面构筑、反应型限域交联、氢键聚集调控以及氢键—环融合协同为代表的一组界面工程策略，覆盖了 n 型有机半导体和倒置钙钛矿太阳能电池两类重要器件体系，形成了从分子结构设计、界面作用调控到器件性能提升的连续研究链条。相关研究成果分别发表于国际知名期刊、Angew. Chem. Int. Edi., 2025, e202514768；Adv. Funct. Mater., 2025, e10279；Adv. Sci., 2024, 2411567；Nano Energy, 2024, 109870；Chinese Journal of Structural Chemistry, 2026，DOI: 10.1016/j.cjsc.2026.100943.

一、 B←N 配位取向调控策略，构筑高迁移率 n 型异靛蓝聚合物半导体。

针对 n 型有机半导体中电子注入困难、有效共轭受限和分子堆积不足等问题，团队设计了基于异靛蓝-aza-BODIPY 结构单元的两种同分异构共轭聚合物 P1 和 P2，系统研究了 B←N 配位单元取向对主链构象、有效共轭、分子堆积和电子传输性能的影响。研究发现，B←N 配位方向垂直于聚合物主链的 P1 虽然几何共轭长度较短，但能够有效减小主链扭曲，增强分子内电荷转移，促进更紧密的 π–π 堆积，并获得更深的 LUMO 能级。最终，基于 P1 的有机场效应晶体管电子迁移率达到 1.77 cm² V^-1 s^-1，明显高于平行取向聚合物 P2 的 0.86 cm² V^-1 s^-1。该工作提出了“构象驱动性能”的设计理念，为高性能 n 型有机半导体材料设计提供了新的分子工程策略。

图1. B←N 配位取向调控策略。

研究成果以 “Tuning effective conjugation via B←N orientation: High-mobility n-type isoindigo polymers for organic field-effect transistors” 为题发表在 Chinese Journal of Structural Chemistry, 2026，DOI: 10.1016/j.cjsc.2026.100943 期刊上，william威廉亚洲官方william威廉亚洲官方,威廉希尔中文网站平台张海昌、刘凯凯和瑞典隆德大学刘马宁为通讯作者，硕士研究生田京书为第一作者。系列课题研究成果以 “Varied π-Conjugated Extension Directions in B←N Coordinated Benzodipyrrolidone (BDP) Polymer Semiconductors: Effects on n-Type Organic Field-Effect Transistors (OFETs)” 为题发表在 ACS Mater. Lett., 2024, 5093–5102 期刊上，william威廉亚洲官方william威廉亚洲官方,威廉希尔中文网站平台张海昌和刘凯凯为通讯作者，周阳和苗传奇为共同第一作者。该工作得到泰山学者青年专家计划以及 Wallenberg Initiative Materials Science for Sustainability等项目资助。

二、 氢键—环融合协同工程，实现 DPP 聚合物高迁移率空穴传输。

在有机场效应晶体管中，载流子需要同时实现分子内和分子间高效传输。针对 DPP 基共轭聚合物中分子内传输与分子间堆积难以同步优化的问题，团队提出氢键和环融合协同调控策略，将氢键作用和稠环结构同时引入 DPP 聚合物骨架，制备得到 P-HF，并与基础聚合物 P-B 及氢键聚合物 P-H 进行对比。研究表明，氢键作用能够增强分子间相互作用，促进局域有序堆积并缩短 π–π 堆积距离；环融合结构则进一步提升主链平面性、扩展 π 共轭并优化前线轨道能级。二者协同作用下，P-HF 同时改善了分子内和分子间电荷传输，其空穴迁移率达到 5.02 cm² V^-1 s^-1，显著高于 P-B 的 0.71 cm² V^-1 s^-1 和 P-H 的 2.13 cm² V^-1 s^-1。该工作为在无定形共轭聚合物中构筑局域有序传输通道提供了新的设计思路。

图2. 氢键—环融合协同工程

研究成果以 “Dual-Engineered DPP Polymers: Synergistic Hydrogen Bonding and Ring-Fusion for High-Mobility Organic Field-Effect Transistors” 为题发表在 Angew. Chem. Int. Edi., 2025, e202514768 期刊上，william威廉亚洲官方william威廉亚洲官方,威廉希尔中文网站平台张海昌、李锐和安徽师范大学史永强为通讯作者，硕士研究生陈朝阳和李锐为共同第一作者。该工作得到泰山学者青年专家计划项目资助。

三、界面限域交联策略，提升小分子空穴传输层埋底界面稳定性。

小分子空穴传输材料具有结构明确、易合成和能级可调等优势，但在钙钛矿前驱体溶液加工过程中容易受到 DMF/DMSO 等极性溶剂侵蚀，导致界面溶解、重排或脱层，影响器件长期稳定性。针对这一问题，团队设计了带有异硫氰酸酯基团的空穴传输材料 CAZ-NCS，并在钙钛矿前驱体中引入含伯胺和乙烯基的 Apronal。退火过程中，Apronal 一方面发生自由基聚合，形成贯穿钙钛矿层的 P-Apronal 网络；另一方面，其伯胺基团与 CAZ-NCS 表面的 -NCS 基团发生亲核加成，在埋底界面原位形成硫脲键，实现界面限域交联。该策略显著增强了空穴传输层/钙钛矿界面的机械稳定性和电荷抽取能力。基于 CAZ-NCS-P 的器件实现了 23.52% 的光电转换效率，并在连续光照 600 h 后保持初始效率的 94%，外推 T80 寿命达到 1951 h。

图3. 界面限域交联策略

研究成果以 “Interlayer-Crosslinkable Hole Transport Layer Achieved Highly Efficient and Stable Perovskite Solar Cells” 为题发表在 Adv. Funct. Mater., 2025, e10279 期刊上，芬兰坦佩雷大学 Paola Vivo、william威廉亚洲官方william威廉亚洲官方,威廉希尔中文网站平台张海昌和william威廉亚洲官方化学与分子工程学院周忠敏为通讯作者，王政和张家康为共同第一作者。系列研究成果以 “Trade-off effect of hydrogen-bonded dopant-free hole transport materials on performance of inverted perovskite solar cells” 为题发表在 Nano Energy, 2024, 109870 期刊上，william威廉亚洲官方william威廉亚洲官方,威廉希尔中文网站平台张海昌、william威廉亚洲官方化学与分子工程学院周忠敏和瑞典隆德大学刘马宁为通讯作者，王政为第一作者。该工作得到 Royal Physiographic Society of Lund、泰山学者青年专家计划等项目资助。

四、构筑卤键诱导有序界面层，提升倒置钙钛矿太阳能电池开路电压。

针对倒置钙钛矿太阳能电池中空穴传输层/钙钛矿界面电荷抽取不足和非辐射复合严重的问题，团队设计合成了含碘卤代烷基链的咔唑基小分子空穴传输材料 O1。该材料能够通过 I···I⁻ 卤键与钙钛矿表面发生强方向性相互作用，在界面处诱导形成有序卤键中间层。理论计算和 XPS 等实验结果证明了卤键界面相互作用的形成。与不含碘功能基团的对照材料相比，O1 有效提升了界面空穴抽取效率，降低了钙钛矿表面缺陷和非辐射复合，使器件开路电压最高提升 114 mV，最高光电转换效率达到 22.34 %，并表现出超过 1000 h 的外推 T80 寿命。该研究表明，卤键可作为一种高方向性、强相互作用的超分子界面工程工具，用于构筑高效稳定的倒置钙钛矿太阳能电池。

图4. 卤键诱导有序界面层

研究成果以 “Halogen-Bonded Hole-Transport Material Enhances Open-Circuit Voltage of Inverted Perovskite Solar Cells” 为题发表在 Adv. Sci., 2024, 2411567 期刊上，william威廉亚洲官方william威廉亚洲官方,威廉希尔中文网站平台张海昌、william威廉亚洲官方化学与分子工程学院周忠敏和瑞典隆德大学刘马宁为通讯作者，陈朝阳和张家康为共同第一作者。该工作得到 Royal Physiographic Society of Lund、Crafoord Foundation、Wallenberg Initiative Materials Science for Sustainability 以及泰山学者青年专家计划等项目资助。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.cjsc.2026.100943

https://doi.org/10.1021/acsmaterialslett.4c01654

https://doi.org/10.1002/anie.202514768

https://doi.org/10.1002/adfm.202510279

https://doi.org/10.1002/advs.202411567

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.109870