有機(jī)太陽(yáng)能電池是由有機(jī)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(diǎn)使其具有光明的前景。目前，雖然有機(jī)太陽(yáng)能電池的最高效率已突破12%，但相對(duì)較低的能量轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性問(wèn)題仍是制約其商業(yè)化的主要瓶頸。新材料設(shè)計(jì)及多層次形貌的優(yōu)化是解決以上問(wèn)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(jí)結(jié)構(gòu)受到給體和受體材料配對(duì)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(gè)不同的方向作為出發(fā)點(diǎn)，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(duì)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(qiáng)度國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室馬偉教授課題組和香港科技大學(xué)顏河教授合作，通過(guò)調(diào)整分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出一對(duì)異構(gòu)給體聚合物：強(qiáng)結(jié)晶性的PTFB-P和弱結(jié)晶性的PTFB-O。通過(guò)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(shí)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(qiáng)的給體共混時(shí)表現(xiàn)出更好的性能。該規(guī)律也影響了多層級(jí)結(jié)構(gòu)的演變?；谛滦徒o體聚合物(PTFB-O)的非富勒烯有機(jī)太陽(yáng)能電池獲得了10.9%的高轉(zhuǎn)化效率。這一結(jié)果為設(shè)計(jì)非富勒烯有機(jī)太陽(yáng)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(jì)使得非富勒烯有機(jī)太陽(yáng)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(shí)，在給體材料方面，馬偉教授課題組和國(guó)家納米科學(xué)中心魏志祥研究員的科研團(tuán)隊(duì)合作，首先設(shè)計(jì)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(shí)表現(xiàn)出了優(yōu)良的性能。詳細(xì)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(jí)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(jī)太陽(yáng)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(xiàng)研究得到了科技部“國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃”項(xiàng)目，國(guó)家自然科學(xué)基金，西安交通大學(xué)青年拔尖人才計(jì)劃基金支持和美國(guó)伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室提供的機(jī)時(shí)支持。