近日，南方科技大学化学系副教授何凤课题组在聚合物太阳能电池领域取得重要研究进展，通过氯原子取代实现了有机太阳能电池效率和稳定性的双重提高。该成果发表在著名国际学术期刊Cell 旗下姐妹刊《Joule》上。这一研究工作主要由何凤课题组陈晖博士和硕士生胡志明（共同第一作者）完成，南方科技大学为第一完成单位，何凤教授为唯一通讯作者。

为了探究有机太阳能电池的奥秘，我们走访了何凤老师，听一听他的解读。

何凤教授毕业于吉林大学，先后曾任美国芝加哥大学博士后，美国Nano-C及Polyera公司高级研究员。

科研创新在于“敢为人先”。何凤教授表示：“在过去二十年里，国内外大多数太阳能电池领域的研究组主要是把研究集中在氟原子取代上。回到南科大之后，我们想要做一些原创性的事情，更大限度地调节材料体系的能级，于是我们就想到了和氟原子同族的元素，氯原子。”经过三年的潜心研究，使用氯原子取代策略，何凤课题组实现了有机太阳能电池效率和稳定性的双重提高。目前何凤课题组研制的氯取代聚合物太阳能电池能量转换效率达到11.2％，是富勒烯类有机太阳能电池体系最高效率之一。

何凤教授介绍，氯原子具有较强的电负性和原子半径，能够在更大的范围内调节分子的能级结构，提高有机太阳能电池的开路电压和效率。同时，氯原子在外围有空的3d轨道，可以赋予电子单元或共轭体系更强的相互作用，同时可通过这种强的分子间相互作用有效地调节材料的薄膜稳定性，使其器件使用寿命长于其他太阳能电池。

此外，氯取代策略在合成上相对容易而且原材料价格较低，因此在工业生产过程中能够大大节约成本，有利于太阳能电池的批量生产和商业化推广。

对话何凤教授：

Q：请问实验过程中，有什么事情是让您最难忘的？
A：在过去的三年里，我们课题组坚持以氯原子取代作为研究有机太阳能电池的和特色与突破点，这一点的确定本身就是很难忘的，因为我们的立意在当时学术圈并不是大家广泛采用氟原子取代，具有较大的挑战性。通过课题组三年以来的不断努力，我们的器件效率从最开始的6%，一点点升到最后的11.2%，同时也吸引了更多的课题组参与到氯取代有机太阳能电池的研究中来。我想说，不要因为别人不看好或者否定就轻易放弃，有时候逆境也许正是一个创新的突破口，只要找准方向去努力，就能柳暗花明，将自己的心血与理念推广给大众。

Q：深圳多雨潮湿的天气对你们的研究有什么挑战，又带来了哪些新的思路或者机遇呢？
A：深圳处于一个太阳能非常丰富的地区，这本身就是一个研究的好机遇，非常利于发展太阳能电池的应用研究，促进可再生新能源的快速发展。不过，在其他地区容易实现的实验反应在深圳会因为高湿度而较难实现，因此我们采取了一些有效的措施去改善深圳气候对我们科学研究的影响。譬如，我们建立了一套可以在手套箱里进行聚合的方法流程，把一些反应移到手套箱去进行，避免了环境对前期实验的影响，这对我们课题组的其他相关研究也是非常有帮助的，可大大提高我们实验的效率，推动课题快速向前发展。

Q：想请教一下目前国内有机太阳能电池的市场前景如何？
A：无论是国内还是全球，有机太阳能电池的市场都是很大的，新能源概念也很受欢迎。我们应该关注的问题是目前有机太阳能电池的效率与稳定性依然不理想，以及材料成本的控制也是关键问题之一。因此科研工作者们应该将目光聚焦在高性能材料和器件结构的创新设计，力争让有机太阳能电池成为一种可以和其他类型电池竞争的产品，实现科研成果的成功转化。

何凤教授和陈晖博士讨论问题

科研核心：

有机太阳电池因具有可溶液加工、轻质量、制备柔性器件和低成本制备等优势，近来成为研究热点。近三年来，何凤课题组另辟蹊径，采用氯（Cl）原子取代策略。与氟代策略相比，具有较大原子半径的氯原子也具有强的电负性，可在更大范围内调剂分子的能级结构，同时氯取代中间体往往在化学合成上更加高效简单，可大幅降低材料成本；氯原子还具有氟原子不具备的空的3d轨道，可赋予其和给电子单元或者共轭体系更强的相互作用，能有效调节氯取代聚合物材料的薄膜聚集形貌、分子取向及稳定性。

基于氯取代策略，何凤研究团队设计和合成了新的氯取代聚合物PBT4T-Cl，通过在主链结构联噻吩其中的一个噻吩上引入氯原子精确调控聚合物的能级，提高器件的开路电压和效率，目前其能量转换效率达到11.2％，是富勒烯类有机太阳能电池体系最高效率之一。更为重要的是，基于PBT4T-Cl制备的有机太阳能电池具有更好的器件稳定性，其器件效率在通过50天储存后仍高于8%，相对于不含氯的聚合物效率稳定性具有超过30%的提高。该研究通过氯原子的引入同时提高了器件效率和稳定性，对未来聚合物给体分子的设计以及如何优化有机太阳能电池的综合性能提供了新的思路和方法，验证了氯取代设计合成策略在推动有机太阳能电池的发展中具有重要指导意义。

论文链接： https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(18)30229-0

课题组链接： http://chem.sustc.edu.cn/index.php/staff/details/tid/12.html

文字：童小晋  范一宁

图片：张晓燕

视频：郑艺俊  叶茹诗

主图设计：丘妍