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北理工化学学院在有机小分子光伏材料领域取得重要进展

文章来源:  发布时间:2016-07-04

来源:校园网  编辑:科学技术研究院 王玉国

  随着社会发展的日新月异,能源问题已经成为一个越来越重要的话题,尤其是以太阳能、风能、水能等为代表的清洁能源更是人们探索和研究的焦点。有机太阳能电池是一种利用有机/高分子半导体材料作为光活性层将太阳能转换为电能的器件。与其他类型的太阳能电池相比,有机太阳能电池具有的低成本、质量轻、制作工艺简单、可大规模印刷及柔性等优点,已经展现出巨大的商业应用前景。然而与其他太阳能电池相比,其光电转化效率还有一定的差距。要想进一步提高有机太阳能电池的性能,人们就必须在新材料的结构设计以及器件加工等方面做更深入的研究。有机小分子/寡聚物材料以其易修饰和分离提纯、结构明确、无批次差别等优点,近年来得到广泛的关注和研究,但其电池的光电转换效率整体上还劣于基于高分子材料的器件。如何获得高光电转换效率的有机小分子/寡聚物电池材料存在着巨大的挑战。最近,化学学院王金亮教授课题组联合华南理工大学吴宏滨教授课题组、美国伯克利劳伦斯国家实验室刘烽博士合作,利用基于氟代苯并噻二唑作为缺电子单元,引达省(IDT)作为富电子单元,联二噻吩作为封端单元的寡聚物材料和与富勒烯衍生物共混获得高达9.1%的光电转化效率和高达0.77的填充因子的有机太阳能电池器件。

  这一研究成果以“Series of Multifluorine Substituted Oligomers for Organic Solar Cells with Efficiency over 9% and Fill Factor of 0.77 by Combination Thermal and Solvent Vapor Annealing”为题在线发表在美国化学会会志(国际化学领域顶级期刊,IF=13.0,(J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 7687-7697))上。JACS链接参见:http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.6b03495

  化学学院王金亮教授于2013年3月入选中组部第四批“青年千人计划”,并依托光电转换材料北京市重点实验室筹建了有机光电材料课题组。王金亮教授课题组围绕如何获得高光电转换效率的有机小分子/寡聚物电池材料这个难题,开展了长达3年的潜心钻研和持续攻关。该课题组先后合成了一系列以富电子的IDT为核,苯并噻二唑/双氟代的苯并噻二唑为受体单元的有机小分子材料。通过引入氟原子和不同对称性的连接桥等方式,有效的调节材料对太阳光的吸收能力。该课题组与华南理工大学吴宏滨教授课题组合作,发现以噻吩、硒吩桥为桥的小分子材料的器件效率比以呋喃为桥的小分子材料的光电效率要高很多(见图一)。(Adv. Funct. Mater. 2015, 25, 3514 (IF = 11.4,顶级期刊),进入ESI高被引论文;Adv. Funct. Mater. 2016, 26, 1803–1812; Chem. Mater. 2015, 27, 4338 (IF = 9.4,顶级期刊,被引用22次),相关成果发表后进入Chem. Mater.期刊2015年7月份浏览量的前10名; J. Mater. Chem. A, 2015, 3, 11575 (IF = 8.3,顶级期刊); J. Mater. Chem. A, 2016, 4, 2252)。

  基于这些前期积累,王金亮教授课题组深入研究了延长π-共轭骨架长度和增加分子中氟原子数目对有机太阳能电池器件光电转化效率的影响。该课题组合成了一系列基于氟代苯并噻二唑作为缺电子单元,引达省作为富电子单元,联二噻吩作为封端单元的寡聚物及聚合物 (见图2)。从寡聚物到聚合物其分子尺度,π-共轭骨架的长度以及氟原子的个数逐渐增加。该课题组与华南理工大学吴宏滨教授课题组合作,将这些材料与富勒烯衍生物共混制备了有机太阳能电池。电池器件结果表明寡聚物的器件性能明显高于聚合物材料。在不同长度的寡聚物中,含有6个氟原子的长度适中的BIT6F其短器件性能明显高于其他寡聚物(其中BIT既是结构组成的缩写,又意为北理工)。其高达9.1%的光电转化效率是目前基于IDT模块构筑的有机太阳能电池的给体材料中的最高记录。另外高达0.77的填充因子是目前有机太阳能电池中的最高纪录。另外该部分工作为系统的研究小分子、寡聚物到聚合物的关系搭建了桥梁,便于更深入的揭示“结构—性能”间的构效关系。

  相应研究工作在评审过程中得到了“所合成的分子是十分新颖的,并且其研究结果对相关研究者是很有趣的”, “有限的小分子供体材料设计原则已经严重的阻碍了高效有机小分子太阳能电池的发展,而这项工作带来了十分新的见解和思路”,“复杂和具有挑战性的合成给我留下了很深的印象,这些结果非常有趣,我想发表后一定能极大地推动溶液加工小分子电池材料的进一步发展” 以及“这部分工作不仅提供了一类新颖的高性能的有机太阳能电池的给体材料,而且传递了一些重要实现高效率器件的新发现。”以及“这个手稿中的结构修饰策略无疑是成功的,其小分子太阳能电池的性能是相当不错的。”的评价。

  该项工作的共同第一作者是化学学院博士生刘凯凯和华南理工大学博士生颜骏同学。该研究工作受到国家/北京市自然科学基金(面上项目)、第九批“千人计划” (青年项目),北京理工大学杰出中青年教师发展支持计划、北京理工大学重大项目培育专项计划等的资助。

  此外王金亮教授课题组还开展了具有聚集诱导荧光效应(AIE)的π-共轭小分子材料设计合成以及光波导、压制变色、细胞成像方面的研究(见图三)(Chem. Eur. J. 2015, 21, 8504,热点论文;Chem. Sci., 2016, 7, 4527–4536;J. Mater. Chem. C, accepted)。相关论文发表后分别被美国化学会会志主编Peter J. Stang在其发表在J. Am. Chem. Soc.的论文和唐本忠院士在其发表在Chem. Rev.的论文高度评价和引用。

  王金亮教授课题组在有机光电材料方面的系统工作详见链接:http://sc.bit.edu.cn/kyjgjktz/wjlktz/index.htm

  到目前为止,王金亮教授课题组以北理工为第一通讯单位共发表(含接收)11篇SCI论文(其中有9篇一区论文,1篇ESI高被引论文,1篇J. Am. Chem. Soc., 2篇Adv. Funct. Mater. )。

(审核:胡晓珉)