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            研究生科研創新基金2018年成果簡介之五

            日期:2018-11-02作者:點擊:

            我?;瘜W學院2016級博士研究生徐小鵬及其團隊以“寬帶隙聚合物有機太陽能電池形貌調控研究”為主題分別在《Advanced Materials》(IF=21.95)、《Advanced Functional Materials》(IF=13.325)、《Nano Energy》(IF=13.12)等國際期刊上發表系列研究成果,化學學院彭強教授為該系列成果的通訊作者。

            (1)有機金屬絡合首次成功引用于有機太陽能電池形貌調控

            有機太陽能電池是當前有機半導體光伏領域研究的熱點。提高有機太陽能電池器件效率和壽命是研究的重中之重。這離不開新材料的開發和器件工藝的精進。傳統形貌優化主要靠溶劑、溶劑添加劑的選擇,熱旋涂、熱退火、溶劑蒸發退火等策略。需要指出的是傳統溶劑不僅危害人們身體健康而且污染環境;熱旋涂、熱退火等熱處理以及溶劑蒸發退火等后處理工藝增加工業化生產難度和成本,并且面臨產品重復率和壽命不高等問題。因此,新的形貌調控策略仍有待開發。

            鑒于此,該團隊首先設計合成了新型寬帶隙受體材料PBDT-ODZ。該材料具有較低的前線軌道能級,與窄帶隙受體材料ITIC-Th搭配,制備的非富勒烯有機太陽能電池開路電壓達到1.08V,能量損失只有0.5 eV,光電轉換效率達到10.12%。受制于其較差的微相形貌,器件效率有待進一步提高。鑒于傳統形貌調控的缺點,該團隊針對PBDT-ODZ具有成為有機金屬絡合物配體的特征,嘗試通過金屬絡合的新策略實現形貌調控。通過絡合度的控制,聚合物的吸收、能級、結晶性等都得到了很好的調節。更重要的是,獲得了更為理想的納米形貌結構,促進了激子解離和電荷傳輸。有機太陽能電池器件效率也顯著提高到了12.34%,與基礎器件相比,提高了21.9%。在此基礎上,還通過對比實驗證明了絡合程度、絡合劑選擇的重要性,以及絡合策略能夠顯著提高太陽能電池使用壽命。這一研究是有機金屬絡合在有機太陽能電池形貌優化中的首次報道與成功應用,充分展示了其在該領域的應用潛力。該研究以“Highly Efficient Nonfullerene Polymer Solar Cells Enabled by a Copper(I) Coordination Strategy Employing an 1,3,4-Oxadiazole-Containing Wide-Bandgap Copolymer Donor”為題,發表在國際著名期刊《Advanced Materials》上,徐小鵬為該研究的第一作者。

            (2)寬帶隙小分子以及三元共混策略優化形貌,提高有機太陽能電池器件效率

            當前,得益于窄帶隙小分子受體材料不斷開發,有機太陽能電池器件效率顯著提高。相對而言,高效率寬帶隙受體的發展則較為落后。為了進一步提高有機太陽能電池器件性能,寬帶隙受體材料的開發也是非常重要的。材料設計中,微小的結構變化都會引起顯著的性能差異。在器件優化上,三元共混策略被廣泛應用。三元共混策略不僅能夠拓寬吸收、調節能級、增加能量和電荷傳輸通道,同時可以調節形貌,促進激子分離和電荷傳輸效率。

            該團隊制備了兩個星型寬帶隙受體材料異構體meta-TrBRCN和para-TrBRCN,系統研究其結構-性質的相關性。研究發現meta-TrBRCN比para-TrBRCN具有更小的空間位組,使得其具有更緊密的堆積、更強的吸收、更高的電荷遷移率。以PTB7-Th為給體材料制備的有機太陽能電池器件,從para-TrBRCN的8.29%提升至meta-TrBRCN的10.15%。該效率是基于寬帶隙受體材料的最高記錄。為了彌補其在長波方向上的吸收不足,該團隊在PTB7-Th:meta-TrBRCN中混入一定量的ITIC-Th,形成三元共混器件。吸收的增強、形貌的進一步優化,使得器件的光生電流顯著提高,器件效率提高至11.40%。該研究證明了分子結構設計以及三元共混器件在有機太陽能電池器件效率提高中的重要性。該研究以“Wide Bandgap Molecular Acceptors with a Truxene Core for Efficient Nonfullerene Polymer Solar Cells: Linkage Position on Molecular Configuration and Photovoltaic Properties”為題,發表在著名期刊《Advanced Functional Materials》上,2018屆碩士畢業生武文林為該研究的第一作者。

            (3)高遷移率寬帶隙聚合物以及三元共混策略優化形貌,提高有機太陽能電池器件效率

            在寬帶隙聚合物設計中,增加聚合物骨架的共軛程度是重要的分子設計策略。增加共軛能夠顯著提高分子結晶性、電荷遷移率等重要參數。同時,對聚合物骨架的精修也能夠對其能級、吸收等進行微調。比如,聚合物骨架上引入氟原子使得聚合物增加吸收的同時,降低能級,并提高其結晶性。這將有利于提高器件的開路電壓、短路電流密度和填充因子,進而提高器件效率。

            該團隊通過增加共軛、引入氟原子制備了兩個星型寬帶隙給體材料PDTH-TZNT和PDTF-TZNT。引入氟原子的PDTF-TZNT的吸收、結晶性顯著增加,用IT-M做受體材料與之共混,器件的電流和填充因子顯著提高,由于氟原子具有降低能級的作用,PDTF-TZNT:IT-M的器件開路電壓顯著提高。這些使得太陽能電池光電轉換效率從PDTH-TZNT的4.42%顯著提高至10.05%。由于其短波長處的吸收較弱,光電轉換效率受到一定的制約。該團隊由此,將之前合成的寬帶隙受體材料引入,形成三元共混器件,增強短波長處的吸收。吸收的增加,能級的調整和形貌的進一步優化,最終器件效率提升至11.48%。該研究以“Naphthobistriazole-based wide bandgap donor polymers for efficient nonfullerene organic solar cells: Significant fine-tuning absorption and energy level by backbone fluorination”為題,發表在《Nano Energy》上,2016級碩士研究生唐東升為該研究的第一作者。

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