近日，南方科技大學化學系教授何鳳課題組在有機太陽電池的器件結構、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發表多篇論文，推動了有機太陽電池研究領域的發展。
圖1. 準平面異質結有機太陽電池的器件結構示意圖
本體異質結有機太陽電池（OSCs）活性層中含有相應的給體和受體材料，其光電性能高度依賴于給體和受體的光學實體性質和相容性。
近幾年來，随着非富勒烯受體的迅速發展，從ITIC到Y6及其衍生物，使得OSCs的光電轉換效率（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，采用本體異質結（BHJ）結構，不能得到很好的器件性能，因而需要采用平面異質結（PHJ）器件結構。
含有給/受體材料的PHJ活性層通常采用連續旋塗的工藝，由于溶劑的溶脹和分子的擴散，PHJ薄膜的中間連接配接處可能會産生微小的納米級體異質結（BHJ）區域。
是以，我們将該結構定義為準平面異質結（Q-PHJ）。雖然目前Q-PHJ有機太陽電池的效率落後于BHJ器件，但其仍然具有一定的優勢。給/受體的活性層形成單獨的雙層結構，産生的D/A界面能夠有效地解離激子。
随着具有長程激子擴散的3D網絡受體結構受體BTIC-BO-4Cl可以在多個方向上轉移激子和電荷，激子的長壽命和擴散距離確定了大多數激子擴散到D/A界面進行解離，可用于制備優異的Q-PHJ有機太陽電池。
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有機太陽電池先決條件的測試，制備了PCE高達17.6% 的Q-PHJ有機太陽電池。基于D18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定Q-PHJ有機太陽電池的重要指導依據。
該研究表明在某些獨特的光伏材料體系中， Q-PHJ結構可以取代BHJ結構制備性能優異的有機太陽電池，為光伏材料的設計和器件制備提供新的研究思路。相關研究成果現發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系研究助理教授陳晖和博士後趙廷興，其它作者包括南科大機械與能源工程系博士後李龍和助理教授郭亮，通訊作者為何鳳，南科大是論文第一機關。
圖2. 金屬-納米石墨烯的dπ-pπ 共轭體系的結構和器件性能
在有機太陽電池的界面工程研究方向上，研究團隊通過課題組之間的學科交叉和互相合作，設計和合成了一系列包含金屬-納米石墨烯的dπ-pπ 共轭體系，通過金屬卡拜反應，把納米石墨烯和碳龍配合物有效結合，得到一類金屬d軌道參與π共轭的全新大π共轭體系。
并且通過對共轭延伸的設計，對這類界面分子進一步優化，最終獲得可用作醇溶性的陰極界面層材料，而且有效提高有機太陽電池效率超過18%的成果。
這類界面分子主要是由于強且有序的電荷轉移、更比對的能級排列、活性層和電極之間更好的界面接觸以及受調節後形成的更合适的活性層形貌，極大地促進了載流子的傳輸，同時阻擋了載流子的複合，最終有效提高了有機太陽電池性能。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，推動有機太陽電池的進一步發展。
該成果發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系博士生劉龍珠和廈門大學博士生陳仕焰，通訊作者為何鳳、南科大化學系講席教授夏海平和廈門大學教授譚元植，南科大是論文第一機關。
圖3. 聚合物受體的分子結構和光伏性能
在聚合物受體的設計和合成上，課題組利用重結晶的方式，将兩個不同位置的溴代端基進行分離，并合成了g和d兩個位置的聚合單體g-Br-BTIC和d-Br-BTIC。
研究發現，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出明顯的差異。其中，g位置的聚合物PBTIC-g-2F2T可以得到最優器件效率（14.34%）。而d位置的聚合物PBTIC-d-2F2T表現出極強的聚集性，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。
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，但是相應的器件效率僅為3.26%。随後進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，這表明不同的連結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的性能依然遠高于PBTIC-d-2F2T和PBTIC-m-2F2T，這表明g位置的聚合有望進一步提供更高效率聚合物受體。上述成果發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系博士後王恒濤、陳晖，通訊作者為何鳳，南科大是論文第一機關。
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計和合成上，通過課題組之間的合作，設計和開發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器件的效率卻高達到16.72%，這對于新型聚合物給體來說具有非常大的應用價值。
研究人員随後将PC71BM作為第三種成分添加到基于PNTB-2T:Y6的二進制器件中，最終三元器件的PCE提高到了17.35%。該研究不僅開發了一種新系列高性能重複性好的聚合物給體材料，也為後續相關合成高性能聚合物給體材料提供了新的政策。
該成果以研究論文形式發表在國際能源旗艦期刊Joule上。汕頭大學化學系碩士生張工亞、甯海軍和陳晖為該論文的第一作者，通訊作者為汕頭大學化學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科研啟動經費、國家自然科學基金、廣東省引進創新科研團隊、深圳市科創委以及深圳格拉布斯研究院和南方科技大學分析測試中心的大力支援。