近日，南方科技大學化學系大四本科生鍾筱蔚作爲第一作者在聚合物領域知名期刊Macromolecules（《大分子》）上發表關於氯取代給體聚合物太陽能電池材料的最新研究成果，論文題爲“Synergistic Effect of Chlorination and Selenophene: Achieving Elevated Solar Conversion in Highly Aggregated Systems”。化學系副教授何鳳爲唯一通訊作者。

有機太陽電池因其成本低、質量輕、有大面積溶液加工前景等優點，受到國際範圍的廣泛關注。通過優化分子結構來提升器件性能是許多學者的研究方向。

圖1. 給體PBT3TClSe與受體 PC71BM(富勒烯衍生物)

太陽能電池的效率和開路電壓與短路電流成正比。在聚合物中引入硒酚單元可以使材料整體結構更加規整，有結晶性，但對應材料往往開路電壓比較低。已發表文獻表明，在給體材料引入氯原子可有效提高開路電壓。該研究通過協同硒酚單元和氯原子取代來研究形貌和堆積對太陽能電池器件的性能影響，設計了聚合物PBT3TClSe和PBT3TSe。

圖2. a）循環伏安掃描圖 b）能級圖

LUMO（電子最低未佔軌道）與HOMO（電子最高已佔軌道）能級的差值爲激發電子從給體轉移到載體所需的能量，和開路電壓成正比。器件數據表明，氯取代PBT3TClSe分子的HOMO能級降低，使得開路電壓既有一定的提升，同時也保持着相對較高的短路電流，從而獲得了較高的光電轉換效率。雖然氯取代和硒酚的結合引起了高度聚集，但因爲氯原子有吸引電子的能力，能引起較強的分子間作用，縮短分子間距離，因此二者結合有利於電荷傳輸，能使器件性能整體得到提升。

分析數據顯示，相對PBT3TSe而言，氯取代的PBT3TClSe和PC71BM缺少明顯的熔點，有更高程度的混合。原子力顯微鏡(AFM)和透射電子顯微鏡(TEM)圖也能直觀地表明PBT3TClSe比起PC71BM有着更強烈的聚集。

圖3. 差示掃描量熱法（DSC）對聚合物的表徵

圖4. 原子力顯微鏡(AFM)圖和透射電子顯微鏡(TEM)圖

左爲PBT3TClSe, 右爲PBT3TSe

另外，膜的掠入射廣角X射線譜（GIWAXS）顯示，PBT3TSe的結構有着高比例的“面朝上”取向，有利於電荷在電極間傳輸，而PBT3TClSe則相對沒有主要的取向，但有着更短的分子距離，同樣利於電荷傳輸，因而保持着較高性能。

圖5. 聚合物混合膜的掠入射廣角X射線譜（GIWAXS）

研究得出結論，高聚集狀態的活性層不一定導致器件性能下降，協同引入氯原子和硒酚可以有效地提高太陽能電池的光電轉換效率。這項成果可能給未來太陽能電池材料的發展提供新的思路。

何鳳課題組經過過去多年的不斷努力，堅持通過精準控制分子弱相互作用調控材料結構形貌和性能的研究思路，分別通過氯原子的Cl-S、Cl-π等超分子相互作用調控有機光電材料分子的排列方式，構築更加適合有機太陽電池器件的材料體系；同時利用共軛聚合物的π-π相互作用作爲驅動力控制材料在不同維度上的生長速度，成功製備了二維方塊膠束，並積極探索這些二維材料的電學行爲響應。氯原子滷鍵等非共價相互作用對控制有機分子的排列和形貌具有決定性作用，不但可獲得高度有序的材料體系，同時相應材料性能也可得到大幅提高，例如和本研究相關的氯取代給體聚合物效率就曾達到了富勒烯類太陽電池的世界一流水平，而且器件穩定性也得到了極大改善，引領了有機太陽電池領域對氯取代的重視和廣泛研究。

談到這項研究和取得的成果，鍾筱蔚表示，實驗和投稿過程中的所有曲折經歷都讓她覺得彌足珍貴，而這些經驗將會助力她未來出國進修。她感謝南科大化學系的科研創新項目，讓當時大三的她和其他同學有機會在老師們的幫助下相對獨立地完成自己選擇的研究目標。

該項研究得到國家自然基金委、深圳市科創委基礎研究學科佈局項目、南科大啓動經費與深圳格拉布斯研究院經費的支持。美國阿貢國家實驗室陳偉教授提供了同步輻射測試合作。

來源：南方科技大學