近日，南方科技大学化学系教授何峰在器件结构、聚合物光伏材料合成、有机太阳能电池界面工程等领域取得了丰硕的研究成果，并在《先进材料》、《先进材料》、《先进材料》、《材料与能源》等旗舰期刊上发表了多篇论文。 先进功能材料和焦耳，推动了有机太阳能电池研究的发展。
本体异质连接有机太阳能电池（OSCs）的有源层含有相应的供体和受体材料，其光电性能高度依赖于供体和受体的光学物理性质和相容性。近年来，随着非富勒烯受体的快速发展，从ITIC到Y6及其衍生物，OSCs的光电转换效率（PCE）已超过18%。但是，对于一些特殊高效的光伏材料系统，当在某些溶剂中的相容性不好时，采用本体异质结（BHJ）结构，无法获得良好的器件性能，因此需要采用扁平的异质结（PHJ）器件结构。
图 1.准平面非均相结有机太阳能电池的器件结构图。
含有进料/受体材料的PhJ活性层通常使用连续的旋转涂层工艺，并且由于溶剂膨胀和分子扩散，在PHJ薄膜的中间连接处可能会产生微小的纳米级异质连接（BHJ）区域。因此，该结构被定义为准平面异构结（Q-PHJ）。虽然Q-PHJ有机太阳能电池的效率落后于BHJ器件，但它仍然具有一些优势。为/受体的活性层形成单独的双层结构，产生可以有效解脱挤出挤出的D/ A界面。BTIC-BO-4Cl具有远距离激发的3D网络受体结构受体BTIC-BO-4Cl可以向多个方向传递激发和电荷，激发的长寿命和扩散距离保证了大部分激发到D/A界面进行解离，可用于制备优良的Q-PHJ有机太阳能电池。基于聚合物供体D18和受体BTIC-BO-4Cl的特殊材料特性，通过测试制备Q-PHJ有机太阳能电池的前提条件，制备了高达17.6%Q-PHJ的有机太阳能电池。基于D18和BTIC-BO-4Cl的BHJ和Q-PHJ器件的综合研究为高效稳定的Q-PHJ有机太阳能电池的制备提供了重要的指导基础。研究表明，在一些独特的光伏材料体系中，Q-PHJ结构可以取代具有优异BHJ结构制备性能的有机太阳能电池，为光伏材料的设计和器件制备提供了新的研究思路。研究成果现发表在国际材料旗舰期刊《先进材料》上，研究的第一作者是南方科技大学化学助理教授陈伟、南方科技大学机械与能源工程系博士后赵廷星。 还有助理教授郭亮，也是通讯《为什么冯》的作者，他是该论文的第一单元。
图 2.金属纳米石墨烯d-p-共轭体系的结构和器件性能.
在有机太阳能电池的界面工程研究方向上，研究团队通过课题组之间的跨学科和相互合作，设计合成了一系列含有金属-纳米石墨烯的d-p-p共轭体系，并通过金属kabai反应，有效地将纳米石墨烯与碳龙配合物相结合，获得了金属d轨道参与π共轭的新型大π尺度共轭体系。并通过共轭延伸的设计，这些界面分子得到进一步优化，结果可用作醇溶性正极界面层材料，有效提高有机太阳能电池效率18%以上。这些界面分子主要是由于电荷转移较强有序，能级排列更匹配，有源层与电极之间的界面接触较好，以及通过调节形成的更适合的有源层，这极大地促进了载流子的传输，同时阻断了载流子的复合，最终有效地提高了有机太阳能电池的性能。这些新型纳米石墨烯-碳龙配接有望推动有机太阳能电池作为具有巨大潜力的正极界面层材料的进一步发展。研究结果发表在国际材料旗舰期刊《先进材料》上，该研究的第一作者是南方科技大学化学系博士生刘龙珠和厦门大学博士生陈世燕。
图 3.聚合物受体的分子结构和光伏性质。
在聚合物受体的设计和合成中，研究小组使用重结晶方法在两个不同的位置分离溴亚碱，并在g和d两个位置合成聚合物单体g-Br-BTIC和d-Br-BTIC。研究发现，溴原子在聚合物单体中的位置不同，聚合材料在器件中表现出显著差异。其中，聚合物PBTIC-g-2F2T在g位可获得最佳器件效率（14.34%）。聚合物PBTIC-d-2F2T在d位表现出强烈的聚集性，不溶于一些常见的溶剂，如二氯甲烷、氯甲烷、氯苯、邻苯二甲酸酯等，在器件中很难得到相应的光伏。此外，合成了基于混合单体的聚合物材料PBTIC-m-2F2T，尽管该材料聚合良好，但相应的器件效率仅为3.26%。随后，在没有氟替代的情况下，在g位进一步合成了高分子材料PBTIC-g-2T。该材料的效率为11.92%，略低于氟替代材料PBTIC-g-2F2T，表明不同的连锁片段也对材料的性能有影响。然而，值得注意的是，PBTIC-g-2T的性能仍远高于PBTIC-d-2F2T和PBTIC-m-2F2T，这表明g位的聚合有望进一步提供更有效的聚合物受体。研究结果发表在国际材料旗舰期刊《先进功能材料》上，该研究首先由南方科技大学化学系博士后研究员王恒涛、通讯作者陈伟、南方科技大学教授冯伟、 是论文的第一个单元。
图 4.基于胺聚合物喂料机的装置性能
在聚合物供体材料的设计和合成中，通过任务组之间的合作设计和开发了两种新的聚合物供体分子，即基于ntiamine（NTI）单元的PNTB和PNTB-2T。基于PNTB的器件效率仅为3.81%，而基于PNTB-2T的器件的效率为16.72%，这对新型聚合物产品具有很大的应用价值。然后，研究人员将pc71BM作为第三个组件添加到基于PNTB-2T：Y6的二进制设备中，最终将该组件的PCE提高到17.35%。本研究不仅开发了一系列新的高性能重复性高分子进料材料，也为后续合成高性能高分子到本体材料提供了新的策略。研究结果以研究论文的形式发表在国际能源旗舰期刊焦耳（Joule）上。汕头大学化学系硕士生张爱娃、宁海军和陈伟是该论文的第一作者，通讯的作者是汕头大学化学教授吴庆加和何峰。
上述所有科研工作均得到了南方科技大学科研启动资金、国家自然科学基金、广东省自然科学基金面上引进的创新研究团队、深圳市科委、深圳市Grabs研究所和南方科技大学分析检测中心的大力支持。
资料来源：南方科技大学
相关链接：
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