十年磨一劍：專訪非富勒烯受體的先驅(qū)者占肖衛(wèi)教授

《物理化學(xué)學(xué)報》編輯部

北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院，北京 100871

Editorial Office of Acta Physico-Chimica Sinica

College of Chemistry and Molecular Engineering, Peking University, Beijing 100871, P. R. China.

自從1995年首次報道本體異質(zhì)結(jié)有機太陽能電池以來，在近二十年時間里，富勒烯衍生物已成為最廣泛使用的電子受體，非富勒烯受體的器件效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于富勒烯衍生物。而富勒烯太陽光吸收弱、能級調(diào)控難、生產(chǎn)成本高、形貌穩(wěn)定性差的缺點，限制了有機太陽能電池領(lǐng)域的可持續(xù)發(fā)展。2015年以來，非富勒烯受體領(lǐng)域不斷取得突破，器件效率從低于7%快速提升到高于17%，并大大超過富勒烯受體，使人們看到了有機太陽能電池的巨大潛力，吸引了國際學(xué)術(shù)界越來越多的研究力量投入到非富勒烯受體領(lǐng)域，形成了化學(xué)和材料領(lǐng)域的國際學(xué)術(shù)熱潮。

可喜的是，該學(xué)術(shù)熱潮是由中國科學(xué)家引領(lǐng)的。中國科學(xué)家在非富勒烯受體領(lǐng)域做出了原創(chuàng)性和引領(lǐng)性的貢獻，開創(chuàng)了重要材料體系，發(fā)明了明星分子，刷新了世界最高效率。“基于非富勒烯受體的聚合物太陽能電池”在 2016年化學(xué)與材料科學(xué)領(lǐng)域 10個熱點前沿中排名第一位。中國領(lǐng)跑這個熱點前沿，中國表現(xiàn)了最強的前沿貢獻度和前沿引領(lǐng)度，超過美國等西方發(fā)達國家。

本期科學(xué)家專訪，我們特別邀請到了全球非富勒烯有機太陽能電池領(lǐng)域的先驅(qū)者，同時也是《物理化學(xué)學(xué)報》編委——北京大學(xué)占肖衛(wèi)教授。占教授在訪談中為我們介紹了非富勒烯有機太陽能電池領(lǐng)域的發(fā)展趨勢以及他的工作經(jīng)歷、科研心得和對期刊發(fā)展的建議。

問題1：占教授，在您以前的科研生涯中主要從事過哪些領(lǐng)域的研究？是什么促使您選擇從事非富勒烯有機太陽能電池領(lǐng)域的研究？

回答：我在浙江大學(xué)攻讀博士學(xué)位期間從事金屬有機催化劑及炔烴聚合反應(yīng)的研究，在中國科學(xué)院化學(xué)研究所做博士后及副研究員期間從事有機電致發(fā)光材料和器件的研究，在美國亞利桑那大學(xué)和佐治亞理工大學(xué)工作期間從事有機電致發(fā)光材料和雙光子吸收材料的研究。2006年回國后，我開始了獨立科研生涯，決定以前做過的工作全部清零，重新?lián)P帆起航。最終將目光鎖定在有機太陽能電池材料上，因為以前沒做過，有新鮮感。過去的20年里，有機光伏材料的研究主要集中在電子給體上。與之形成鮮明對比的是，電子受體領(lǐng)域局限于富勒烯衍生物，對于其他受體的探索極少，進展極其緩慢。然而，我始終認(rèn)為，重給體而輕受體，僅靠給體一條腿走路是走不遠(yuǎn)的，這嚴(yán)重制約了有機太陽能電池的發(fā)展。于是，我決定開始啃這塊沒有肉的硬骨頭，率先在國內(nèi)開展了非富勒烯受體的研究。

問題2：請介紹一下您的課題組在非富勒烯有機太陽能電池領(lǐng)域取得的主要成果。

回答：我的課題組在非富勒烯有機太陽能電池領(lǐng)域做出了開創(chuàng)性和引領(lǐng)性的貢獻。早在2007年，我們在Journal of the American Chemical Society上發(fā)表了中國首篇非富勒烯有機太陽能電池的論文，報道了世界上第一個苝酰亞胺高分子受體材料。2015年，我們提出了稠環(huán)電子受體新概念，發(fā)明了明星分子ITIC，工作發(fā)表在Advanced Materials上。我們的原創(chuàng)性工作引起了國內(nèi)外同行的高度關(guān)注和廣泛跟進，本領(lǐng)域10多個國家/地區(qū)的130多個研究組使用ITIC類稠環(huán)電子受體。近4年來，因稠環(huán)電子受體的發(fā)明，非富勒烯有機太陽能電池的效率由不到7%迅速發(fā)展到超過17%，大大超越傳統(tǒng)的富勒烯。從此，有機太陽能電池邁向新紀(jì)元，進入非富勒烯時代。

問題3：請您簡單總結(jié)一下有機太陽能電池領(lǐng)域最近十年有哪些最重要的發(fā)現(xiàn)。

回答：有機光伏領(lǐng)域的研究可追溯到上世紀(jì)50年代，人們在研究蒽單晶時發(fā)現(xiàn)了光生伏打現(xiàn)象，這是有機太陽能電池的雛形，但由于當(dāng)時的效率極低，并沒有引起關(guān)注。直到1986年，鄧青云報道了一種雙層有機太陽能電池，效率在1%左右，被認(rèn)為是有機光伏領(lǐng)域的重大突破。1995年，Heeger等人發(fā)明了具有本體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的有機光伏器件，實現(xiàn)了3%左右的效率，被認(rèn)為是本領(lǐng)域的又一次重大突破。最近10年有機光伏領(lǐng)域發(fā)展迅速，最重要的發(fā)現(xiàn)包括：1)電子給體材料，俞陸平等人將具有醌式結(jié)構(gòu)的噻吩并噻吩單元和苯并二噻吩單元共聚，制備了窄帶隙的PTB系列高分子給體材料，其中，PTB7-Th實現(xiàn)了超過10%的效率；2)富勒烯電子受體材料，李永舫等人開發(fā)了茚加成富勒烯電子受體ICBA，把基于經(jīng)典的P3HT聚合物給體的器件效率從不到4%提升到超過7%；3)非富勒烯電子受體材料，我們發(fā)明了以明星分子ITIC為代表的稠環(huán)電子受體，非富勒烯有機太陽能電池的效率由不到7%迅速發(fā)展到超過17%；4)界面層材料，黃飛等人開發(fā)了水/醇溶性導(dǎo)電高分子如PFN，大幅度提升了有機光伏器件的性能。

問題4：目前中國非富勒烯有機太陽能電池領(lǐng)域的研究在國際上處于什么水平？

回答：中國科學(xué)家在非富勒烯有機太陽能電池領(lǐng)域做出了原創(chuàng)性和引領(lǐng)性的貢獻，在國際上獨領(lǐng)風(fēng)騷，最優(yōu)異的電子受體材料體系來自中國的原創(chuàng)，最高效率紀(jì)錄全部由中國創(chuàng)造?！盎诜歉焕障┦荏w的聚合物太陽能電池”在2016年化學(xué)與材料科學(xué)領(lǐng)域10個熱點前沿中排名第一位，2017年再次入選化學(xué)與材料科學(xué)領(lǐng)域10個熱點前沿。中國領(lǐng)跑這個熱點前沿，表現(xiàn)了最強的前沿貢獻度和前沿引領(lǐng)度，超過美國等發(fā)達國家。

問題5：您對非富勒烯受體在太陽能電池領(lǐng)域的研究前景有何展望，未來是否還會出現(xiàn)更優(yōu)質(zhì)的受體來替代非富勒烯受體？

回答：我認(rèn)為非富勒烯受體拯救了有機太陽能電池領(lǐng)域，賦予了它第二次生命。目前，非富勒烯有機太陽能電池領(lǐng)域生機勃勃，前程似錦。我相信，器件效率超過20%指日可待。在未來的5至10年，非富勒烯受體有機太陽能電池可能實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，走進百姓家。

問題6：您認(rèn)為有機太陽能電池的研究對我們的日常生活有何影響？

回答：有機太陽能電池可將清潔、可再生的太陽能轉(zhuǎn)換為電能。有機光伏材料具有質(zhì)輕、柔性、半透明等特性，可采用噴墨打印、涂布印刷、卷對卷加工等低成本工藝制造大面積薄膜器件。有機太陽能電池的輕、薄、柔性、半透明特性將使其在光伏建筑一體化、汽車窗戶和便攜式電子設(shè)備等方面具有廣闊的市場前景。

問題7：在您的科研道路中是否遇到過挫折或困難？

回答：開辟非富勒烯受體材料的研究領(lǐng)域猶如拓荒，眼前莽莽蒼蒼，腳下荊棘叢生。初期非富勒烯有機太陽能電池的效率極低(小于1%)，在常人眼中這是一條走不通的“死路”，讓許多人望而卻步。2006年我回國后便開展了非富勒烯受體的研究。當(dāng)時我們是國內(nèi)唯一一個進行這項研究的團隊，即便在國際上這樣的團隊也寥寥無幾。而在當(dāng)時，我們在同行中被視為另類和奇葩，不被人理解和認(rèn)可。效率是太陽能電池領(lǐng)域的敲門磚，具有一票否決權(quán)，我們的論文常常因為效率低而被雜志拒稿。審稿人總會給出兩個尖銳的否定意見：一是富勒烯已足夠好，無需替代。二是非富勒烯效率太低，沒有發(fā)展前途。出身貧苦農(nóng)家的我，最不怕的就是堅持與吃苦。我的學(xué)生也心甘情愿地跟我走這條風(fēng)雨凄凄的山路。一次次失敗后，我們又一次次地重新開始。功夫不負(fù)有心人，我們的真誠和堅守打動了同行，我們實實在在的進步和不斷刷新的電池效率鼓舞了同行。令人欣慰的是，近幾年來，越來越多的研究者認(rèn)可了非富勒烯受體材料的重要性和發(fā)展?jié)摿?，加入了這個研究行列。目前，國內(nèi)外關(guān)于非富勒烯有機太陽能電池的研究開展得如火如荼，非富勒烯有機太陽能電池領(lǐng)域由5年前的門前冷落華麗變身為門庭若市。

問題8：您認(rèn)為科研人員最重要的品質(zhì)是什么？您對研究生或年輕的科研工作者有什么建議？

回答：我認(rèn)為科研人員最重要的品質(zhì)是創(chuàng)新和執(zhí)著。創(chuàng)新就是要做0到1的工作，不做1到2的工作。不要趕時髦，不要跟風(fēng)。甘于坐冷板凳，并把冷板凳坐熱。執(zhí)著就是要一心一意做一件事，要十年磨一劍。我經(jīng)常跟我的學(xué)生講，年輕人要敢于“吃螃蟹”，大膽去想，去闖，去試新東西，不要怕失敗。要甘于“啃骨頭”，愿意吃苦，要有韌性，不畏艱險。要不怕“吃虧”，不要貪圖捷徑，搭別人的順風(fēng)車，急于求成。

問題9：如果可以重新選擇，您會選擇什么職業(yè)？

回答：如果可以重新選擇，我還會選擇現(xiàn)在的職業(yè)，我非常喜歡做一名教書匠和科技工作者。

問題10：您擔(dān)任了多個期刊的副主編或編委，請問您認(rèn)為什么是期刊發(fā)展最重要的因素？

回答：我現(xiàn)任Journal of Materials Chemistry C副主編和ACS Energy Letters、Chemistry of Materials、Materials Horizons、Solar RRL、化學(xué)學(xué)報、物理化學(xué)學(xué)報編委/顧問編委。我認(rèn)為學(xué)術(shù)質(zhì)量是期刊的“靈魂”，服務(wù)水平和特色體現(xiàn)期刊的“顏值”。