近日，南方科技大學化學系教授何峰在器件結構、聚合物光伏材料合成、有機太陽能電池界面工程等領域取得了豐碩的研究成果，并在《先進材料》、《先進材料》、《先進材料》、《材料與能源》等旗艦期刊上發表了多篇論文。 先進功能材料和焦耳，推動了有機太陽能電池研究的發展。
本體異質連接配接有機太陽能電池（OSCs）的有源層含有相應的供體和受體材料，其光電性能高度依賴于供體和受體的光學實體性質和相容性。近年來，随着非富勒烯受體的快速發展，從ITIC到Y6及其衍生物，OSCs的光電轉換效率（PCE）已超過18%。但是，對于一些特殊高效的光伏材料系統，當在某些溶劑中的相容性不好時，采用本體異質結（BHJ）結構，無法獲得良好的器件性能，是以需要采用扁平的異質結（PHJ）器件結構。
圖 1.準平面非均相結有機太陽能電池的器件結構圖。
含有進料/受體材料的PhJ活性層通常使用連續的旋轉塗層工藝，并且由于溶劑膨脹和分子擴散，在PHJ薄膜的中間連接配接處可能會産生微小的納米級異質連接配接（BHJ）區域。是以，該結構被定義為準平面異構結（Q-PHJ）。雖然Q-PHJ有機太陽能電池的效率落後于BHJ器件，但它仍然具有一些優勢。為/受體的活性層形成單獨的雙層結構，産生可以有效解脫擠出擠出的D/ A界面。BTIC-BO-4Cl具有遠距離激發的3D網絡受體結構受體BTIC-BO-4Cl可以向多個方向傳遞激發和電荷，激發的長壽命和擴散距離保證了大部分激發到D/A界面進行解離，可用于制備優良的Q-PHJ有機太陽能電池。基于聚合物供體D18和受體BTIC-BO-4Cl的特殊材料特性，通過測試制備Q-PHJ有機太陽能電池的前提條件，制備了高達17.6%Q-PHJ的有機太陽能電池。基于D18和BTIC-BO-4Cl的BHJ和Q-PHJ器件的綜合研究為高效穩定的Q-PHJ有機太陽能電池的制備提供了重要的指導基礎。研究表明，在一些獨特的光伏材料體系中，Q-PHJ結構可以取代具有優異BHJ結構制備性能的有機太陽能電池，為光伏材料的設計和器件制備提供了新的研究思路。研究成果現發表在國際材料旗艦期刊《先進材料》上，研究的第一作者是南方科技大學化學助理教授陳偉、南方科技大學機械與能源工程系博士後趙廷星。 還有助理教授郭亮，也是通訊《為什麼馮》的作者，他是該論文的第一單元。
圖 2.金屬納米石墨烯d-p-共轭體系的結構和器件性能.
在有機太陽能電池的界面工程研究方向上，研究團隊通過課題組之間的跨學科和互相合作，設計合成了一系列含有金屬-納米石墨烯的d-p-p共轭體系，并通過金屬kabai反應，有效地将納米石墨烯與碳龍配合物相結合，獲得了金屬d軌道參與π共轭的新型大π尺度共轭體系。并通過共轭延伸的設計，這些界面分子得到進一步優化，結果可用作醇溶性正極界面層材料，有效提高有機太陽能電池效率18%以上。這些界面分子主要是由于電荷轉移較強有序，能級排列更比對，有源層與電極之間的界面接觸較好，以及通過調節形成的更适合的有源層，這極大地促進了載流子的傳輸，同時阻斷了載流子的複合，最終有效地提高了有機太陽能電池的性能。這些新型納米石墨烯-碳龍配接有望推動有機太陽能電池作為具有巨大潛力的正極界面層材料的進一步發展。研究結果發表在國際材料旗艦期刊《先進材料》上，該研究的第一作者是南方科技大學化學系博士生劉龍珠和廈門大學博士生陳世燕。
圖 3.聚合物受體的分子結構和光伏性質。
在聚合物受體的設計和合成中，研究小組使用重結晶方法在兩個不同的位置分離溴亞堿，并在g和d兩個位置合成聚合物單體g-Br-BTIC和d-Br-BTIC。研究發現，溴原子在聚合物單體中的位置不同，聚合材料在器件中表現出顯著差異。其中，聚合物PBTIC-g-2F2T在g位可獲得最佳器件效率（14.34%）。聚合物PBTIC-d-2F2T在d位表現出強烈的聚集性，不溶于一些常見的溶劑，如二氯甲烷、氯甲烷、氯苯、鄰苯二甲酸酯等，在器件中很難得到相應的光伏。此外，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，但相應的器件效率僅為3.26%。随後，在沒有氟替代的情況下，在g位進一步合成了高分子材料PBTIC-g-2T。該材料的效率為11.92%，略低于氟替代材料PBTIC-g-2F2T，表明不同的連鎖片段也對材料的性能有影響。然而，值得注意的是，PBTIC-g-2T的性能仍遠高于PBTIC-d-2F2T和PBTIC-m-2F2T，這表明g位的聚合有望進一步提供更有效的聚合物受體。研究結果發表在國際材料旗艦期刊《先進功能材料》上，該研究首先由南方科技大學化學系博士後研究員王恒濤、通訊作者陳偉、南方科技大學教授馮偉、 是論文的第一個單元。
圖 4.基于胺聚合物喂料機的裝置性能
在聚合物供體材料的設計和合成中，通過任務組之間的合作設計和開發了兩種新的聚合物供體分子，即基于ntiamine（NTI）單元的PNTB和PNTB-2T。基于PNTB的器件效率僅為3.81%，而基于PNTB-2T的器件的效率為16.72%，這對新型聚合物産品具有很大的應用價值。然後，研究人員将pc71BM作為第三個元件添加到基于PNTB-2T：Y6的二進制裝置中，最終将該元件的PCE提高到17.35%。本研究不僅開發了一系列新的高性能重複性高分子進料材料，也為後續合成高性能高分子到本體材料提供了新的政策。研究結果以研究論文的形式發表在國際能源旗艦期刊焦耳（Joule）上。汕頭大學化學系碩士生張愛娃、甯海軍和陳偉是該論文的第一作者，通訊的作者是汕頭大學化學教授吳慶加和何峰。
上述所有科研工作均得到了南方科技大學科研啟動資金、國家自然科學基金、廣東省自然科學基金面上引進的創新研究團隊、深圳市科委、深圳市Grabs研究所和南方科技大學分析檢測中心的大力支援。
資料來源：南方科技大學
相關連結：
https://doi.org/10.1016/j.joule.2021.02.003
https://doi/10.1002/adfm.202100877
https://doi.org/10.1002/adma.202101279
https://doi.org/10.1002/adma.202102778