有机太阳能电池是由有机半导体电子给体和受体材料共混形成，其易于制备、柔性可弯折和适于大规模生产等特点使其具有光明的前景。目前，虽然有机太阳能电池的最高效率已突破12%，但相对较低的能量转换效率和稳定性问题仍是制约其商业化的主要瓶颈。新材料设计及多层次形貌的优化是解决以上问题的主要策略，其中多层次结构分布的控制尤为困难。由于多层级结构受到给体和受体材料配对选择的影响。西安交大科研人员分别从受体和给体材料两个不同的方向作为出发点，成功的获得了多层次结构分布的控制方法，并获得了给、受体配对的一般性规律。
在受体材料方面，西安交通大学金属材料强度国家重点实验室马伟教授课题组和香港科技大学颜河教授合作，通过调整分子结构设计出一对异构给体聚合物：强结晶性的PTFB-P和弱结晶性的PTFB-O。通过与富勒烯受体和非富勒烯受体分别共混后发现：小分子非富勒烯受体与结晶性弱的给体共混时可以获得更高的转化效率;而富勒烯受体则与结晶性强的给体共混时表现出更好的性能。该规律也影响了多层级结构的演变。基于新型给体聚合物(PTFB-O)的非富勒烯有机太阳能电池获得了10.9%的高转化效率。这一结果为设计非富勒烯有机太阳能电池的给体聚合物提供了极其重要的洞见、参考和指导。该研究成果发表在Nature Communications上，题目“Donor polymer design enables efficient non-fullerene organic solar cells”(给体聚合物设计使得非富勒烯有机太阳能电池获得高效率)。西安交通大学为该工作的第一通讯作者单位。
同时，在给体材料方面，马伟教授课题组和国家纳米科学中心魏志祥研究员的科研团队合作，首先设计了三种新型不同数量氟原子取代的小分子给体BTID-0F, BTID-1F和BTID-2F，并观察到其与富勒烯受体配合时表现出了优良的性能。详细的结构分析发现，分子氟化使得活性层多层次形貌逐步优化(包括相区纯度的提高、层级结构的形成和纵向分布等)，并在此基础上获得了11.3%的高转化效率。这一效率是目前小分子富勒烯体系有机太阳能电池的最高值。该工作以西安交通大学作为共同通讯作者单位也发表在Nature Communications上。
这两项研究得到了科技部“国家重点研发计划”项目，国家自然科学基金，西安交通大学青年拔尖人才计划基金支持和美国伯克利国家实验室提供的机时支持。
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