近日，我系材料科学与工程系副教授郭旭岗在有机电子领域的最新研究工作受到国际学术界瞩目：《Nature》子刊Nature Photonics发表郭旭岗副教授学术论文《具有高填充因子的聚合物太阳能电池》（“Polymer solar cells with enhanced fill factors”），《美国化学会志》（J.Am. Chem. Soc.）发表了郭旭岗副教授在有机场效应晶体管方面研究进展的论文。

图1. 具有高填充因子的聚合物太阳能电池。电池薄膜取得与基底平行方向的相分离，与基底垂直方向的相渐变。该形貌特征抑制了电荷复合，使得电荷能有效和定向性地收集，产生了高填充因子。

郭旭岗副教授这篇题为《具有高填充因子的聚合物太阳能电池》的学术论文发表在2013年8月11日出版的Nature Photonics上（http://www.nature.com/nphoton/journal/vaop/ncurrent/abs/nphoton.2013.207.html），介绍了郭旭岗在有机太阳能电池领域的最新研究进展：通过合成新型高分子半导体并优化器件工艺，该工作取得了聚合物太阳能电池领域前所未有的高填充因子（76%-80％）。论文还通过对太阳能电池薄膜形貌、电子性质和器件物理的深入研究揭示了高填充因子的起源。其工作原理在于，聚合物和富勒烯取得与基底平行方向的相分离，与基底垂直方向的相渐变（图 1）。该形貌特征有效地抑制了电荷复合，使得电荷能有效和定向性地收集。研究发现，80％的填充因子接近硅太阳能电池，也预示聚合物太阳能电池能量转化效率可能远高于现有水平。该研究工作引起学术界广泛关注， Science Daily和phys.org等媒体报道了该研究成果。

图2. 基于硫氧非键作用设计的高性能有机半导体。该半导体在有机场效应晶体管取得高载流子迁移率，并具有器件稳定性。

美国化学会志》发表了郭旭岗副教授在有机场效应晶体管方面研究进展的论文《双烷氧双噻唑：高分子半导体的新构建单元》（“Dialkoxybithiazole:A New Building Block for Head-to-HeadPolymer Semiconductors”）：在设计有机半导体时，半导体材料应具有分子共面性以增大π-轨道重叠来提升载流子迁移率。同时需要引入烷基链取得溶解性以实现低成本的印刷电子。而烷基链的引入通常增加空间位阻，引起分子扭曲。郭旭岗通过引入烷氧链，利用硫氧的非键作用，使得有机半导体能取得高载流子迁移率，并实现器件稳定性（图 2）。该研究为设计高性能有机半导体提供了新策略。

此外，郭旭岗还应邀在国际光学工程学会(SPIE)做主题报告，相应的论文《设计塑料太阳能电池界面》（“PlasticSolar Cells with Engineered Interfaces”）发表在Proceedingsof SPIE上。

郭旭岗是上述研究工作的第一作者，南方科技大学和美国西北大学是其共同署名单位。

何为聚合物太阳能电池？

太阳能电池作为可持续和清洁能源受到学术界和工业界广泛关注。在各类太阳能电池中，聚合物太阳能电池具有独特优势。该类电池可采用类似于报纸印刷的卷对卷技术制造，因此降低了成本。聚合物太阳能电池通常由给电子的聚合物和受电子的富勒烯组成，其工作原理与传统的硅电池有很大区别。在光照射下，电子激发产生移动的电子-空穴对，称为激子。激子然后在电池中扩散，并在聚合物和富勒烯界面分离成电荷：电子和空穴。电荷最后迁移到电极形成电流。

尽管聚合物太阳能电池的独特优势，其挑战是提高能量转换效率。能量转化效率定义为电池产生的能量相对于入射太阳光能量的比值，等于三个性能参数（开路电压，短路电流，和填充因子）的乘积。虽然已有有效方法增加开路电压和短路电流，但实现高填充因子被证明具有很大挑战性，大多数聚合物太阳能电 池的填充因子低于70％。

在聚合物太阳能电池中，实现高填充因子需要抑制激子分离生成的电子和空穴复合。在聚合物太阳能电池中，随机分散的聚合物和富勒烯导致无序区域和隔离岛的生成，以及与错误电极相连。这种内在无序结构导致了空穴和电子的重新结合，产生低填充因子。因此，取得高填充因子是聚合物太阳能电池技术的重大进展。