代表性研究成果2：高性能有机/聚合物太阳电池材料与器件

新型有机/聚合物太阳电池，可通过低成本印刷方式大规模制备。当前有机/聚合物太阳电池在实验室条件下的效率快速提高（接近15%），而实现高性能大面积光伏模组仍面临巨大的挑战。针对材料体系及器件制备工艺的关键问题，以实现高效率、大面积光伏器件为目标，发展了若干材料新体系与器件优化新思路。

（1）高效厚膜阴极界面材料

传统的阴极界面材料由于载流子迁移率较低，仅能在厚度很薄（5-10 nm）的情况下制备高效率聚合物太阳电池，因此难以在制备的大面积光伏器件中应用。为此，我们在厚膜阴极界面材料方面提出了系列创新的设计思路并做出了国际领先的研究工作。黄飞教授将金属原子引入到聚合物阴极界面材料的主链中，利用金属-金属相互作用诱导共轭聚合物强堆积，显著提高材料的电荷传输性能（J. Am. Chem. Soc., 2013, 135, 15326，ESI高被引论文）。进一步发展了系列高迁移率n型水/醇溶共轭聚合物自掺杂界面材料，当阴极界面材料厚度达到100 nm时，器件仍能保持较好性能（J. Am. Chem. Soc., 2016, 138, 2004, ESI高被引论；Mater. Horiz. 2017, 4, 88，ESI高被引论文）。基于此类掺杂型界面材料，实验室还成功实现了效率超过11%的叠层太阳电池（Adv. Mater., 2016, 28, 4817，ESI高被引论文）和效率接近7%的半透明太阳电池（Adv. Energy Mater. 2017, 7, 1701121）。

水/醇溶界面材料及界面调控方法已经成为有机光电器件界面调控的一种通用方法。黄飞教授应邀为国际期刊撰写综述论文三篇（Chem. Soc. Rev. 2013, 42, 9071；Chem. Commun. 2015, 51, 5572；Small Methods, 2017, 1700264），并应邀为SPIE撰写专题报道（SPIE news room, 2014, DOI:10.1117/2.1201409.005590）。中科院李永舫院士对掺杂型界面材料进行了专题亮点评述（Sci. China Chem., 2016, 59, 1430）。诺贝尔奖获得者Alan Heeger教授、华盛顿大学Alex Jen教授、加州大学圣巴巴拉分校G. C. Bazan教授、芝加哥大学Luping Yu教授、澳大利亚墨尔本皇家理工大学S. V. Bhosale教授等均在其各自撰写的综述论文中对实验室水/醇溶界面材料及调控方法做了大篇幅正面评述（Chem. Soc. Rev., 2016, 45, 4825；Energy Environ. Sci., 2015, 8, 1160；Acc. Chem. Res. 2018, 51, 202；Chem. Rev. 2015, 115, 12666; Chem. Rev. 2016, 116, 11685）。

解增旗、马於光教授采用有机分子“光掺杂”提高氧化锌导电率的方法，制备了可溶液加工的厚膜阴极界面材料。将微量染料分子苝酰亚胺（PBI-H）掺杂到ZnO薄膜中，在光照下能够将ZnO的导电率提高两个数量级。使用这种光电导复合阴极界面材料的聚合物太阳电池效率达10.5%，为当时文献报道的效率突破10%的少数实例之一（J. Am. Chem. Soc., 2015, 137, 6995，ESI高被引论文）。解增旗教授进一步发展了采用水溶液低温加工的光电导复合阴极界面材料（ZnO:PBI-Py），探讨了光电导复合阴极界面材料的工作机制（Adv. Mater., 2016, 28, 7521），并将其应用到三元共混聚合物光伏器件中，获得了超过11%的器件效率（第三方验证效率为10.38%）（Adv. Mater., 2016, 28, 8184，ESI高被引论文）。基于光电导复合阴极界面材料的系列研究工作发表后，迅速得到国内外同行专家的极大关注，相关文章被同行专家广泛引用。解增旗教授受邀为《Adv. Energy Mater.》撰写研究新闻（Research News），系统介绍光电导复合电极材料及其在光伏器件中的应用与发展前景（Adv. Energy Mater., 2017, 7, 1602573）。

（2）高效厚膜活性层材料

传统高效活性层材料的最优工作厚度大多在100 nm左右，随着厚度的变化器件性能大幅降低，难以适用于印刷加工的大面积聚合物光伏模组。为此，提出厚膜活性层材料的新思路，降低材料性能对厚度的依赖性，解决了活性层印刷加工的难题。黄飞教授采用高平面性的电子受体单元（萘二并噻二唑，NT）构筑了系列高迁移率的共轭聚合物给体材料（Adv. Energy Mater. 2014, 4, 1400378; Adv. Mater., 2016, 28, 9811，ESI高被引论文；Adv. Energy Mater., 2017, 1700944），在100-660 nm的活性层厚度范围内，器件性能均保持在10%以上，适合大面积聚合物光伏模组的制备。陈军武教授提出采用双氟代苯并噻二唑单元构筑高迁移率给体共轭聚合物的思路，并发现这类材料随溶液温度而发生变化的链间聚集行为，这一特性使得其能够应用在厚膜聚合物光伏器件中（Adv. Mater. 2014, 26, 2586, ESI高被引论文）。通过侧链修饰进一步调节共轭聚合物的聚集行为，大幅提高聚合物光伏器件的印刷加工窗口（J. Mater. Chem. A, 2017, 5, 17619）。相关成果发表后，被WEILY杂志社的Materials Views中文网站选登，并作重点评述。研究成果还得到了国际同行的广泛引用和迅速跟进（Nat. Comm., 2014, 5, 5293; Nat. Energy, 2016, 1, 15027; J. Mater. Chem. A, 2017, 5, 20473）。

（3）全聚合物太阳电池

全聚合物太阳电池具有优异的光、热稳定性及力学性能。黄飞、应磊教授发展了基于新型二酰亚胺苯并三唑单元的宽带隙聚合物（Adv. Mater. 2017, 29, 1606396，ESI高被引论文），首次实现了绿色溶剂加工的效率超过9%的全聚合物太阳电池（Energy Environ. Sci. 2017, 10, 1243，ESI高被引论文、热点论文）。通过侧链修饰进行薄膜形貌调控，进一步实现了效率超过10%的全聚合物太阳电池（Adv. Mater. 2017, 29, 1703906），是国际上目前文献公开报道的全聚合物太阳电池的最好结果。该系列工作发表后引起了同行的广泛关注，研究成果被Materials Views、Advanced Science News等学术媒体报道。美国加州大学圣芭芭拉分校G. C. Bazan教授指出：“黄等人开发了具有突破性效率的全聚合物光伏器件”（Sci. China Chem. 2017, 60, 1109）。多篇综述论文（Nat. Rev. Mater. 2018, 3, 18003；Nat. Mater. 2018, 17, 11；Mater. Sci. Eng. R, 2018, 124, 1）及研究论文（Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 13503；Energy Environ. Sci. 2017, 10, 2212；ACS Nano 2018, 12, 1473；Adv. Energy Mater. 2018, 1702173）均对实验室全聚合物太阳电池的工作进行了大篇幅的引用和正面评述。

（4）有机/聚合物太阳电池光电转换机制

吴宏滨教授深入研究了光伏器件内活性层的聚集形态、受体相的纯度和有序度及其带尾态对器件的开路电压有重要影响。通过调控活性层组成和形貌, 实现了对带尾态的控制，实现开路电压和光伏器件综合性能的同步提高，在国际上率先获得能量转换效率超过10%的单结聚合物太阳电池（Nat. Photonics 2015, 9, 174, ESI高被引论文、热点论文，他引772次，2015年度中国百篇最有影响力科学研究论文）。该成果引领和推动了有机/聚合物太阳电池研究，为该领域的发展做出了贡献，并得到了国内外同行的高度肯定。 诺贝尔物理学奖评委会主席、瑞典皇家科学院院士Olle Inganäs教授在多篇研究论文中引用带尾态的相关研究成果，明确指出降低受体材料PCBM的带尾态密度可以提高开路电压（Nat. Commun. 2015, 6, 8778）。为聚合物太阳电池性能的进一步优化和新材料的设计合成提供了重要的理论指导。

（5）大面积厚膜器件加工工艺

黄飞教授在二元聚合物太阳电池的基础上，引入高迁移率的第三组分，同时实现了活性层的迁移率提升、光谱拓展及形貌优化，为大面积高效厚膜光伏器件的加工提供了新思路（J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 2387, ESI高被引论文）。华盛顿大学Alex K.-Y. Jen 教授进行了亮点评述，指出“这种三元体系可以在室温下加工，更有利于卷对卷印刷，为有机光伏的商业化应用提供了新途径”（Sci. China Chem., 2017, 60, 435）。利用这种“三元策略”，进一步实现了效率超过9%的厚膜（350 nm）全聚合物太阳电池（Adv. Energy Mater. 2018, 1703085）。通过静电层层自组装技术，将阳离子聚电解质和阴离子聚电解质交替沉积在带电基板上，获得了可大面积制备、厚度可控、表面覆盖均匀的阴极界面层（Adv. Mater. 2015, 27, 3607; Nano Energy, 2017, 34, 164）。

在有机/聚合物太阳电池方向取得了系列成果，获2015年度国家自然科学二等奖、2014年教育部自然科学一等奖。在2013-2017年间，以第一单位发表SCI论文200余篇，其中影响因子大于10.0的39篇，ESI高被引论文23篇，他引超过100次的13篇。该方向的研究骨干曹镛、黄飞、吴宏滨、叶轩立等多次入选材料科学领域ESI高被引科学家。黄飞、叶轩立、曹镛等在英国皇家化学学会出版专著一部《Polymer Photovoltaics : Materials, Physics and Device Engineering》。