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基于苯并二噻吩小分子给体的全小分子有机光伏电池

发布时间:2020-11-07

  第一作者:唐骅

  单位:中国科学院重庆绿色智能技术研究院,香港理工大学

  本文通讯作者:严岑琪、李刚、陆仕荣

  成果简介

  与基于无机材料的传统太阳能电池相比,有机太阳能电池具有成本低、碳足迹低、能量回收期短、原料丰富、质轻、可制备柔性、半透明器件,加工工艺简单 (可采用旋涂、刮涂、喷墨打印、丝网印刷等) 等优点。有机光伏具有好的弱光表现性,能应用于光伏建筑一体化和室内市场上,可为物联网生态系统提供电力支持。因此,有机太阳能电池具备商业化应用潜力, 受到学术界和工业界的广泛关注。在有机光伏领域中,小分子半导体材料具有分子结构明确,易于提纯,批次差别小等诸多优点,使得全小分子光伏技术成为目前国内外研究热点。目前,绝大多数高性能的全小分子有机太阳能电池采用基于苯并二噻吩(BDT)单元的小分子给体。近期,实验室制备的全小分子有机太阳能电池已实现超过15%的光电转化效率,并有望在可预期的未来实现商业化应用。

图1. 基于BDT小分子给体材料光伏的发展历程

  近期,中国科学院重庆绿色智能技术研究院陆仕荣研究员与香港理工大学李刚教授团队, 基于长期在BDT小分子给体领域的研究基础,合作在Cell 杂志社旗下的材料科学旗舰期刊Matter上发表了题为《Benzodithiophene-based Small-molecule Donors for the Next-generation All-Small-Molecule Organic Photovoltaics》(DOI: 10.1016/j.matt.2020.09.001)的综述文章。BDT给电子核具有刚性的共轭平面,强的给电子能力并拥有多个裁剪位点,易于通过分子结构的修饰实现光伏器件光电转化效率的提升。2011年,BDT给电子核首次被引入到小分子给体中,设计并合成DCAO3T(BDT)3T小分子给体,取得5.44%的光电转化效率;2014年,基于BDT给电子核的小分子给体侧链工程的新材料DR3TSBDT实现了~ 10%的光电转化效率;2015年,液晶小分子BTR被报道,其光伏器件可在活性层厚度250 nm时取得9.3%的光电转化效率,推动了全小分子光伏技术面向产业化的发展;2019年,基于非富勒烯明星小分子受体Y6的出现,研究人员通过修饰BDT小分子给体以匹配Y6受体,实现了非富勒烯全小分子有机太阳能电池光电转化效率的飙升;2020年,基于BTR小分子给体衍生物B1,和Y6小分子受体衍生物 BO-4Cl体系的全小分子有机太阳能电池效率首次突破了15%,再次证明BDT小分子材料的应用潜力。作者对近年来基于BDT小分子给体的发展进行归纳并总结其有效的发展策略,尤其是分子设计—材料性质—器件性能之间的重要联系。基于核工程(图2),端基工程(图3),侧链工程(图4)以及桥工程(图5)等分子设计策略,有效地调控分子共轭面积,分子内推拉电子行为,以及分子间堆积行为等,影响了小分子给体材料的吸收光谱,前线轨道能级,结晶性以及给受体间的适配性。从而对于全小分子光伏器件中的关键参数,如开路电压(VOC),短路电流(JSC)以及填充因子(FF)产生重要影响。最后,作者重点就高性能BDT小分子给体材料的设计策略,形貌调控,电池商业化和稳定性,与基于全小分子的三元和叠层策略等方面的发展方向与前景提出了自己看法。

图2. 基于核工程修饰的BDT小分子给体

图3. 基于端基工程修饰的BDT小分子给体

图4. 基于侧链工程修饰的BDT小分子给体材料

图5. 基于桥工程修饰的BDT小分子给体材料

 

  作者简介:

  唐骅:中国科学院重庆绿色智能技术研究院和香港理工大学2018级联合培养博士生,2014年毕业于美国斯蒂文斯理工学院获得理学硕士学位,之后依次在沙特阿卜杜拉国王科技大学科技大学和香港理工大学从事科研工作。博士期间先后获得“国家奖学金”,“中科院院长奖学金”,“唐立新奖学金”及“三好学生标兵”等荣誉,主要研究方向为有机太阳能电池材料与器件,以第一作者身份在Matter, Adv. Energy Mater., Adv. Sci., J. Mater. Chem. A 和 Sol. RRL等期刊发表多篇论文。

  严岑琪:香港理工大学李刚教授团队博士后研究员,2013年本科毕业于山东大学;2018年博士毕业于北京大学,师从占肖卫教授。目前的研究方向为有机太阳能电池和钙钛矿太阳能电池。先后以第一作者/通讯作者在Nat. Rev. Mater., Adv. Mater., Matter, Adv. Energy Mater., Adv. Sci.等学术期刊上发表论文13篇(入选2018年中国百篇最具影响国际学术论文)。总共已发表论文40篇, 被引用2900余次, H因子17。

  李刚:香港理工大学钟士元爵士可再生能源教授,英国皇家化学会(RSC)Fellow,国际光学工程学会(SPIE) Fellow. 其研究组致力于有机太阳能电池,钙钛矿太阳能电池等光电子器件的研究。李刚教授本科就读于武汉大学空间物理学系,Iowa State University 凝聚态物理博士,研究经历包括加州大学洛杉矶分校博士后及研究教授,Solarmer Energy 公司研发副总裁。发表了140余篇论文(含Nature子刊及Science十余篇),Google学术引用6万余次,H因子71,文章最高引用6千余次,17篇论文被引超过1千次。李刚教授自2014年起成为汤森路透-科维睿安 全球高被引科学家。(Highly Cited Researchers – Materials Science, Physics, Chemistry)。

  陆仕荣:中国科学院重庆绿色智能技术研究院研究员,国家海外高层次引进人才特聘专家,重庆市杰出青年基金获得者,重庆市科技创新领军人才;2012年于日本东北大学获得理学博士学位,之后依次到日本东北大学、美国加州大学洛杉矶分校和澳洲墨尔本大学从事博士后研究,主要研究领域为有机太阳能电池材料与器件,有机功能材料合成方法学,先后以第一作者/通讯作者在Joule, Matter, Nature Commun., Sci. Adv., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Energy & Environ. Sci., Adv. Energy Mater.和Adv. Sci.等期刊发表论文四十余篇。

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