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近日，南方科技大學(xué)化學(xué)系教授何鳳課題組在有機(jī)太陽電池的器件結(jié)構(gòu)、聚合物光伏材料合成、界面工程等多個研究方向上取得豐碩研究成果，在Advanced Materials，Advanced Functional Materials和Joule等材料和能源旗艦期刊上連續(xù)發(fā)表多篇論文，推動了有機(jī)太陽電池研究領(lǐng)域的發(fā)展。             

圖1. 準(zhǔn)平面異質(zhì)結(jié)有機(jī)太陽電池的器件結(jié)構(gòu)示意圖。

本體異質(zhì)結(jié)有機(jī)太陽電池（OSCs）活性層中含有相應(yīng)的給體和受體材料，其光電性能高度依賴于給體和受體的光學(xué)物理性質(zhì)和相容性。近幾年來，隨著非富勒烯受體的迅速發(fā)展，從ITIC到Y(jié)6及其衍生物，使得OSCs的光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）突破了18%。但是對于一些特殊高效的光伏材料體系，在某些溶劑中相容性不好時，采用本體異質(zhì)結(jié)（BHJ）結(jié)構(gòu)，不能得到很好的器件性能，因而需要采用平面異質(zhì)結(jié)（PHJ）器件結(jié)構(gòu)。

含有給/受體材料的PHJ活性層通常采用連續(xù)旋涂的工藝，由于溶劑的溶脹和分子的擴(kuò)散，PHJ薄膜的中間連接處可能會產(chǎn)生微小的納米級體異質(zhì)結(jié)（BHJ）區(qū)域。因此，我們將該結(jié)構(gòu)定義為準(zhǔn)平面異質(zhì)結(jié)（Q-PHJ）。雖然目前Q-PHJ有機(jī)太陽電池的效率落后于BHJ器件，但其仍然具有一定的優(yōu)勢。給/受體的活性層形成單獨(dú)的雙層結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生的D/A界面能夠有效的解離激子。隨著具有長程激子擴(kuò)散的3D網(wǎng)絡(luò)受體結(jié)構(gòu)受體BTIC-BO-4Cl可以在多個方向上轉(zhuǎn)移激子和電荷，激子的長壽命和擴(kuò)散距離確保了大多數(shù)激子擴(kuò)散到D/A界面進(jìn)行解離，可用于制備優(yōu)異的Q-PHJ有機(jī)太陽電池。基于聚合物給體D18和受體BTIC-BO-4Cl特殊的材料性能，通過對制備Q-PHJ有機(jī)太陽電池先決條件的測試，制備了PCE高達(dá)17.6% 的Q-PHJ有機(jī)太陽電池?；贒18和BTIC-BO-4Cl的BHJ和Q-PHJ器件的全面研究，獲得了制備高效和穩(wěn)定Q-PHJ有機(jī)太陽電池的重要指導(dǎo)依據(jù)。該研究表明在某些獨(dú)特的光伏材料體系中， Q-PHJ結(jié)構(gòu)可以取代BHJ結(jié)構(gòu)制備性能優(yōu)異的有機(jī)太陽電池，為光伏材料的設(shè)計和器件制備提供新的研究思路。相關(guān)研究成果現(xiàn)發(fā)表在國際材料旗艦期刊Advanced Materials上，該研究論文的第一作者為南科大化學(xué)系研究助理教授陳暉和博士后趙廷興，其它作者包括南科大機(jī)械與能源工程系博士后李龍和助理教授郭亮，通訊作者為何鳳，南科大是論文第一單位。

圖2. 金屬-納米石墨烯的dπ-pπ 共軛體系的結(jié)構(gòu)和器件性能。

在有機(jī)太陽電池的界面工程研究方向上，研究團(tuán)隊通過課題組之間的學(xué)科交叉和相互合作，設(shè)計和合成了一系列包含金屬-納米石墨烯的dπ-pπ 共軛體系，通過金屬卡拜反應(yīng)，把納米石墨烯和碳龍配合物有效結(jié)合，得到一類金屬d軌道參與π共軛的全新大π共軛體系。并且通過對共軛延伸的設(shè)計，對這類界面分子進(jìn)一步優(yōu)化，最終獲得可用作醇溶性的陰極界面層材料，而且有效提高有機(jī)太陽電池效率超過18%的成果。這類界面分子主要是由于強(qiáng)且有序的電荷轉(zhuǎn)移、更匹配的能級排列、活性層和電極之間更好的界面接觸以及受調(diào)節(jié)后形成的更合適的活性層形貌，極大地促進(jìn)了載流子的傳輸，同時阻擋了載流子的復(fù)合，最終有效提高了有機(jī)太陽電池性能。這類新型的納米石墨烯-碳龍配合物有望作為具有巨大潛力的陰極界面層材料，推動有機(jī)太陽電池的進(jìn)一步發(fā)展。該成果發(fā)表在國際材料旗艦期刊Advanced Materials上，該研究論文的第一作者為南科大化學(xué)系博士生劉龍珠和廈門大學(xué)博士生陳仕焰，通訊作者為何鳳、南科大化學(xué)系講席教授夏海平和廈門大學(xué)教授譚元植，南科大是論文第一單位。

圖3. 聚合物受體的分子結(jié)構(gòu)和光伏性能。

在聚合物受體的設(shè)計和合成上，課題組利用重結(jié)晶的方式，將兩個不同位置的溴代端基進(jìn)行分離，并合成了g和d兩個位置的聚合單體g-Br-BTIC和d-Br-BTIC。研究發(fā)現(xiàn)，聚合物單體中溴原子的位置不同，聚合所得的材料在器件中表現(xiàn)出明顯的差異。其中，g位置的聚合物PBTIC-g-2F2T可以得到最優(yōu)器件效率（14.34%）。而d位置的聚合物PBTIC-d-2F2T表現(xiàn)出極強(qiáng)的聚集性，難溶于一些常見的溶劑，如二氯甲烷，三氯甲烷，氯苯，鄰二氯苯等，在器件中的幾乎無法得到光伏相應(yīng)。此外，還合成了基于混合單體的聚合物材料，PBTIC-m-2F2T，盡管該材料聚合良好的溶解性，但是相應(yīng)的器件效率僅為3.26%。隨后進(jìn)一步合成了沒有氟取代的g位置的聚合物材料，PBTIC-g-2T。該材料表現(xiàn)出的效率為11.92%，略低于氟取代的材料PBTIC-g-2F2T，這表明不同的鏈接片段對材料的性能同樣具有一定的影響。不過值得注意的是，PBTIC-g-2T的性能依然遠(yuǎn)高于PBTIC-d-2F2T和PBTIC-m-2F2T，這表明g位置的聚合有望進(jìn)一步提供更高效率聚合物受體。上述成果發(fā)表在國際材料旗艦期刊Advanced Functional Materials上, 該研究的第一作者為南科大化學(xué)系博士后王恒濤、陳暉，通訊作者為何鳳，南科大是論文第一單位。

圖4. 基于噻吩亞胺聚合物給體的器件性能

在聚合物給體材料的設(shè)計和合成上，通過課題組之間的合作，設(shè)計和開發(fā)了兩種基于萘噻吩亞胺（NTI）單元的新型聚合物給體分子，PNTB和PNTB-2T。基于PNTB的器件的效率僅為3.81%，而基于PNTB-2T器件的效率卻高達(dá)到16.72%，這對于新型聚合物給體來說具有非常大的應(yīng)用價值。研究人員隨后將PC71BM作為第三種成分添加到基于PNTB-2T:Y6的二元器件中，最終三元器件的PCE提高到了17.35%。該研究不僅開發(fā)了一種新系列高性能重復(fù)性好的聚合物給體材料，也為后續(xù)相關(guān)合成高性能聚合物給體材料提供了新的策略。該成果以研究論文形式發(fā)表在國際能源旗艦期刊Joule上。汕頭大學(xué)化學(xué)系碩士生張工亞、寧海軍和陳暉為該論文的第一作者，通訊作者為汕頭大學(xué)化學(xué)系教授武慶賀和何鳳。

以上所有研究工作得到了南方科技大學(xué)科研啟動經(jīng)費(fèi)、國家自然科學(xué)基金、廣東省引進(jìn)創(chuàng)新科研團(tuán)隊、深圳市科創(chuàng)委以及深圳格拉布斯研究院和南方科技大學(xué)分析測試中心的大力支持。

論文鏈接：1. https://doi.org/10.1016/j.joule.2021.02.003

                 2. https://doi/10.1002/adfm.202100877

                 3.https://doi.org/10.1002/adma.202101279

                 4. https://doi.org/10.1002/adma.202102778