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理学院化学系何凤课题组在有机太阳电池领域取得多项研究成果

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近日,南方科技大学理学院化学系教授何凤课题组在有机太阳电池的器件结构、聚合物光伏材料合成、界面工程等多个研究方向上取得丰硕研究成果,在Advanced Materials,Advanced Functional Materials和Joule等材料和能源旗舰期刊上连续发表多篇论文,推动了有机太阳电池研究领域的发展。             

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图1. 准平面异质结有机太阳电池的器件结构示意图。


本体异质结有机太阳电池(OSCs)活性层中含有相应的给体和受体材料,其光电性能高度依赖于给体和受体的光学物理性质和相容性。近几年来,随着非富勒烯受体的迅速发展,从ITIC到Y6及其衍生物,使得OSCs的光电转换效率(PCE)突破了18%。但是对于一些特殊高效的光伏材料体系,在某些溶剂中相容性不好时,采用本体异质结(BHJ)结构,不能得到很好的器件性能,因而需要采用平面异质结(PHJ)器件结构。

含有给/受体材料的PHJ活性层通常采用连续旋涂的工艺,由于溶剂的溶胀和分子的扩散,PHJ薄膜的中间连接处可能会产生微小的纳米级体异质结(BHJ)区域。因此,我们将该结构定义为准平面异质结(Q-PHJ)。虽然目前Q-PHJ有机太阳电池的效率落后于BHJ器件,但其仍然具有一定的优势。给/受体的活性层形成单独的双层结构,产生的D/A界面能够有效的解离激子。随着具有长程激子扩散的3D网络受体结构受体BTIC-BO-4Cl可以在多个方向上转移激子和电荷,激子的长寿命和扩散距离确保了大多数激子扩散到D/A界面进行解离,可用于制备优异的Q-PHJ有机太阳电池。基于聚合物给体D18和受体BTIC-BO-4Cl特殊的材料性能,通过对制备Q-PHJ有机太阳电池先决条件的测试,制备了PCE高达17.6% 的Q-PHJ有机太阳电池。基于D18和BTIC-BO-4Cl的BHJ和Q-PHJ器件的全面研究,获得了制备高效和稳定Q-PHJ有机太阳电池的重要指导依据。该研究表明在某些独特的光伏材料体系中, Q-PHJ结构可以取代BHJ结构制备性能优异的有机太阳电池,为光伏材料的设计和器件制备提供新的研究思路。相关研究成果现发表在国际材料旗舰期刊Advanced Materials上,该研究论文的第一作者为南科大化学系研究助理教授陈晖和博士后赵廷兴,其它作者包括南科大机械与能源工程系博士后李龙和助理教授郭亮,通讯作者为何凤,南科大是论文第一单位。

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图2. 金属-纳米石墨烯的dπ-pπ 共轭体系的结构和器件性能。


在有机太阳电池的界面工程研究方向上,研究团队通过课题组之间的学科交叉和相互合作,设计和合成了一系列包含金属-纳米石墨烯的dπ-pπ 共轭体系,通过金属卡拜反应,把纳米石墨烯和碳龙配合物有效结合,得到一类金属d轨道参与π共轭的全新大π共轭体系。并且通过对共轭延伸的设计,对这类界面分子进一步优化,最终获得可用作醇溶性的阴极界面层材料,而且有效提高有机太阳电池效率超过18%的成果。这类界面分子主要是由于强且有序的电荷转移、更匹配的能级排列、活性层和电极之间更好的界面接触以及受调节后形成的更合适的活性层形貌,极大地促进了载流子的传输,同时阻挡了载流子的复合,最终有效提高了有机太阳电池性能。这类新型的纳米石墨烯-碳龙配合物有望作为具有巨大潜力的阴极界面层材料,推动有机太阳电池的进一步发展。该成果发表在国际材料旗舰期刊Advanced Materials上,该研究论文的第一作者为南科大化学系博士生刘龙珠和厦门大学博士生陈仕焰,通讯作者为何凤、南科大化学系讲席教授夏海平和厦门大学教授谭元植,南科大是论文第一单位。

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图3. 聚合物受体的分子结构和光伏性能。


在聚合物受体的设计和合成上,课题组利用重结晶的方式,将两个不同位置的溴代端基进行分离,并合成了g和d两个位置的聚合单体g-Br-BTIC和d-Br-BTIC。研究发现,聚合物单体中溴原子的位置不同,聚合所得的材料在器件中表现出明显的差异。其中,g位置的聚合物PBTIC-g-2F2T可以得到最优器件效率(14.34%)。而d位置的聚合物PBTIC-d-2F2T表现出极强的聚集性,难溶于一些常见的溶剂,如二氯甲烷,三氯甲烷,氯苯,邻二氯苯等,在器件中的几乎无法得到光伏相应。此外,还合成了基于混合单体的聚合物材料,PBTIC-m-2F2T,尽管该材料聚合良好的溶解性,但是相应的器件效率仅为3.26%。随后进一步合成了没有氟取代的g位置的聚合物材料,PBTIC-g-2T。该材料表现出的效率为11.92%,略低于氟取代的材料PBTIC-g-2F2T,这表明不同的链接片段对材料的性能同样具有一定的影响。不过值得注意的是,PBTIC-g-2T的性能依然远高于PBTIC-d-2F2T和PBTIC-m-2F2T,这表明g位置的聚合有望进一步提供更高效率聚合物受体。上述成果发表在国际材料旗舰期刊Advanced Functional Materials上, 该研究的第一作者为南科大化学系博士后王恒涛、陈晖,通讯作者为何凤,南科大是论文第一单位。

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图4. 基于噻吩亚胺聚合物给体的器件性能


在聚合物给体材料的设计和合成上,通过课题组之间的合作,设计和开发了两种基于萘噻吩亚胺(NTI)单元的新型聚合物给体分子,PNTB和PNTB-2T。基于PNTB的器件的效率仅为3.81%,而基于PNTB-2T器件的效率却高达到16.72%,这对于新型聚合物给体来说具有非常大的应用价值。研究人员随后将PC71BM作为第三种成分添加到基于PNTB-2T:Y6的二元器件中,最终三元器件的PCE提高到了17.35%。该研究不仅开发了一种新系列高性能重复性好的聚合物给体材料,也为后续相关合成高性能聚合物给体材料提供了新的策略。该成果以研究论文形式发表在国际能源旗舰期刊Joule上。汕头大学化学系硕士生张工亚、宁海军和陈晖为该论文的第一作者,通讯作者为汕头大学化学系教授武庆贺和何凤。

以上所有研究工作得到了南方科技大学科研启动经费、国家自然科学基金、广东省引进创新科研团队、深圳市科创委以及深圳格拉布斯研究院和南方科技大学分析测试中心的大力支持。

 

论文链接:1. https://doi.org/10.1016/j.joule.2021.02.003

                 2. https://doi/10.1002/adfm.202100877

                 3.https://doi.org/10.1002/adma.202101279

                 4. https://doi.org/10.1002/adma.202102778


 

供稿:化学系

通讯员:吴笑弟

主图:丘妍