有機太陽能電池是由有機半導(dǎo)體電子給體和受體材料共混形成，其易于制備、柔性可彎折和適于大規(guī)模生產(chǎn)等特點使其具有光明的前景。目前，雖然有機太陽能電池的最高效率已突破12%，但相對較低的能量轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性問題仍是制約其商業(yè)化的主要瓶頸。新材料設(shè)計及多層次形貌的優(yōu)化是解決以上問題的主要策略，其中多層次結(jié)構(gòu)分布的控制尤為困難。由于多層級結(jié)構(gòu)受到給體和受體材料配對選擇的影響。西安交大科研人員分別從受體和給體材料兩個不同的方向作為出發(fā)點，成功的獲得了多層次結(jié)構(gòu)分布的控制方法，并獲得了給、受體配對的一般性規(guī)律。

在受體材料方面，西安交通大學(xué)金屬材料強度國家重點實驗室馬偉教授課題組和香港科技大學(xué)顏河教授合作，通過調(diào)整分子結(jié)構(gòu)設(shè)計出一對異構(gòu)給體聚合物：強結(jié)晶性的PTFB-P和弱結(jié)晶性的PTFB-O。通過與富勒烯受體和非富勒烯受體分別共混后發(fā)現(xiàn)：小分子非富勒烯受體與結(jié)晶性弱的給體共混時可以獲得更高的轉(zhuǎn)化效率;而富勒烯受體則與結(jié)晶性強的給體共混時表現(xiàn)出更好的性能。該規(guī)律也影響了多層級結(jié)構(gòu)的演變。基于新型給體聚合物(PTFB-O)的非富勒烯有機太陽能電池獲得了10.9%的高轉(zhuǎn)化效率。這一結(jié)果為設(shè)計非富勒烯有機太陽能電池的給體聚合物提供了極其重要的洞見、參考和指導(dǎo)。該研究成果發(fā)表在Nature Communications上，題目 “Donor polymer design enables efficient non-fullerene organic solar cells”(給體聚合物設(shè)計使得非富勒烯有機太陽能電池獲得高效率)。西安交通大學(xué)為該工作的第一通訊作者單位。


同時，在給體材料方面，馬偉教授課題組和國家納米科學(xué)中心魏志祥研究員的科研團隊合作，首先設(shè)計了三種新型不同數(shù)量氟原子取代的小分子給體BTID-0F, BTID-1F和BTID-2F，并觀察到其與富勒烯受體配合時表現(xiàn)出了優(yōu)良的性能。詳細的結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)，分子氟化使得活性層多層次形貌逐步優(yōu)化(包括相區(qū)純度的提高、層級結(jié)構(gòu)的形成和縱向分布等)，并在此基礎(chǔ)上獲得了11.3%的高轉(zhuǎn)化效率。這一效率是目前小分子富勒烯體系有機太陽能電池的最高值。該工作以西安交通大學(xué)作為共同通訊作者單位也發(fā)表在Nature Communications上。

這兩項研究得到了科技部“國家重點研發(fā)計劃”項目，國家自然科學(xué)基金，西安交通大學(xué)青年拔尖人才計劃基金支持和美國伯克利國家實驗室提供的機時支持。