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陆仕荣研究团队在全小分子有机太阳能电池材料领域取得突破性进展

发布时间:2020-11-07

  近日,国际知名期刊《Joule》、《Science Advance》、《Advanced Science》、《Solar RRL》和J. Mater. Chem. A发表了中科院重庆院陆仕荣研究团队在小分子光伏材料设计合成及器件性能研究方面的系列成果。

  目前我国光伏发电主要采用晶硅电站集中发电的模式,存在火电调峰、远距离输运和大范围异地消纳的难题。同时,我国太阳能分布广泛,适合发展光伏建筑一体化、光伏+农业、便携式光伏发电等分布式光伏发电技术。所以,国家发改委和能源局出台系列政策,明确鼓励发展分布式光伏发电系统,从而推行“自发自用,余电上网”的分布式光伏消费模式,实现传统光伏消费模式的迭代和升级。相对传统晶硅电池,有机太阳能电池在分布式光伏发电领域具备两大优势:第一,可以像印刷报纸一样印刷制备,工艺成本低;第二,类似一片可以发电的塑料薄膜,具备超薄、超轻、超柔的优点。根据光敏层材料的不同,有机太阳能电池可以分为高分子电池和小分子电池两大类。其中,小分子有机太阳能电池具有材料结构精确和器件重复性良好的优势,但光电转化效率有待提升。因此,基于小分子材料结构修饰提升电池效率的研究属于有机光伏领域的前沿热点。

  中科院重庆研究院陆仕荣团队成立于2017年5月,专攻有机太阳能电池技术,目前已建成贯穿材料-器件-载流子输运机制-大面积印刷技术的系统研发平台,组建了一支包括国家高层次海外引进人才、中科院百人计划入选者和中科院青促会成员的研究团队,团队成员学科背景交叉、优势互补,形成一个有机的整体。近期,本研究团队在基于BDT单元骨架的高性能小分子光伏材料研发方面取得如下系列进展:

  (1) 基于分子结构修饰的相分离调控技术:

  小分子有机太阳能电池光敏层中给/受体的相分离状态是影响载流子分离、输运、提取,以及器件光电转化效率的关键因素,所以相分离调控是进一步提升小分子有机太阳能电池光电转化效率的关键手段。

  a. 基于分子卤代的相分离调控技术

  通过在液晶型小分子给体BTR中引入氯原子,构筑出新型液晶分子BTR-Cl,从而显著提升分子的结晶性。BTR-Cl与结晶性相对较弱的明星受体Y6吸收光谱互补,且能级匹配,能形成理想的相分离状态,最终制备出效率13.6%的全小分子太阳能电池,创全小分子太阳能电池国际最高效率纪录,效率经第三方权威结构-中国计量科学研究院认证为13.0%,相关研究成果发表到Cell子刊Joule上(Joule,2019,3,1-14)。该研究工作的第一通讯单位为中国科学院重庆绿色智能技术研究院,第一作者为本研究团队的助理研究员陈海燕和胡定琴,通讯作者为本团队的陆仕荣研究员、肖泽云研究员和重庆大学的孙宽研究员。

  b. 基于类给体第三组份的相分离调控技术

  针对BTR/PCBM体系,设计合成出一例结构、吸收光谱、能级与BTR极其类似,但结晶性与其不同的新型给体BTR-OH,作为第三组份,并研究其对BTR/PCBM共混膜相分离状态的影响规律。研究表明:第三组份的加入能有效调控原有两组份的相分离状态,提高相分离质量,从而降低电荷输运过程中的复合概率,成功制备出效率高于10%的小分子厚膜电池(300nm),这为提升有机太阳能电池效率提供了一条新策略,相关研究成果发表到Advanced Science上(Adv. Sci. 2019, 1901613)。该研究工作的第一通讯单位为中国科学院重庆绿色智能技术研究院,第一作者为本团队的博士生唐骅和徐同乐,通讯作者为本团队的陆仕荣研究员、阚志鹏特聘研究员和香港理工大学的李刚教授。

  c. 基于烷基取向的相分离调控技术

  分子排布属于相分离状态蕴含的重要内容,但分子排布的精确调控充满挑战。本研究通过调控分子烷基链的取向实现了分子平面性的有效调控,从而达到精确调控分子排布及相分离状态的目的,最终制备出效率12.3%的高效全小分子有机太阳能电池,为精确调控小分子排布及相分离提供了一条新策略,相关研究成果发表到Advanced Materials子刊Solar RRL上(Solar RRL, 2019: 1900326)。该研究工作的第一通讯单位为中国科学院重庆绿色智能技术研究院,第一作者为本团队的硕士生董西悦和联培博士杨可,通讯作者为本团队的陆仕荣研究员、肖泽云研究员和重庆大学的孙宽研究员。

  d. 基于端基工程的相分离调控技术

  在全小分子有机太阳能电池中,研究了小分子给体的端位基团对其结晶性及相分离状态的影响规律。研究表明:当采用ER(esterified rhodanine)为端位基团时,小分子给体BDT-RO的结晶性显著提升,与小分子受体ITIC共混成膜时,相分离状态显著优化,最终制备出效率超过9%的全小分子电池,相关研究成果发表到J. Mater. Chem. A(J. Mater. Chem. A 2019, 7, 2541-2546)。该研究工作的第一通讯单位为中国科学院重庆绿色智能技术研究院,第一作者为本团队的段泰男副研究员和博士生唐骅,通讯作者为本团队的陆仕荣研究员和阚志鹏研究员。

  (2) 高性价比小分子材料设计合成:

  a. 机器学习辅助设计高效率小分子给体材料

  传统高效光伏材料的研发通常是经“试错法”完成,存在成本高、耗时长和成功率低等众多缺陷。重庆大学孙宽课题组联合本团队开发出基于机器学习预测高效率小分子给体结构的新方法,预测准确率高达80%,且经实验验证。相对传统的“试错法”,“机器学习辅助设计法”具有高效快速和经济实惠的优势,将显著加快高性能光伏材料的研发速度。相关研究成果发表在Science 子刊Science Advance上(Sci. Adv. 2019, 5 : eaay4275)。该研究工作的第一通讯单位为重庆大学,通讯作者为重庆大学孙宽研究员和本团队的陆仕荣研究员、肖泽云研究员。

  b. 高效廉价小分子受体材料设计与合成

  材料合成成本是衡量材料性价比的关键因素。本团队基于C-H键活化反应,以高达65%的总产率两步合成出结构极简的近红外受体CPDT-4F,与给体材料PBDB-T结合制备出效率9.47%的常规电池和效率7.68%的半透明有机太阳能电池,相关研究成果发表到ACS applied materials & interfaces(ACS applied materials & interfaces, 2019, 11, 6717-6723)。该研究工作的第一通讯单位为中国科学院重庆绿色智能技术研究院,第一作者为本团队的联培硕士王凯丽和吕杰,通讯作者为本团队的陆仕荣研究员、段泰男副研究员和阚志鹏特聘研究员。

 

 

  团队负责人:陆仕荣,中国科学院重庆绿色智能技术研究院研究员,博士生导师,国家海外高层次引进人才特聘专家,重庆市学术技术带头人,重庆市科技创新领军人才,中国科学院大学重庆分院能源学院执行院长;2012年于日本东北大学获得理学博士学位,之后到日本东北大学、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,师从Yang Yang教授、Andrew B. Holmes教授和山本嘉则教授,主要研究领域为有机太阳能电池材料与器件,和有机功能材料合成方法学,先后以第一作者/通讯作者在Joule, Nature Commun., Sci. Adv., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed.和Adv. Sci.等期刊发表论文二十余篇。

 

  团队骨干:肖泽云,中国科学院重庆绿色智能技术研究院研究员,博士生导师,中国科学院百人计划技术英才,澳大利亚墨尔本大学Honorary Fellow。本科毕业于浙江大学,博士毕业于中国科学院上海有机化学研究所,之后在瑞典隆德大学、澳大利亚墨尔本大学开展研究工作。长期从事有机光电材料,超分子化学,高分子功能材料的研究。以(共同)一作/通讯作者在Joule,Nature Communications,Science Advances等期刊发表论文多篇。

 

 

  团队骨干:阚志鹏,中国科学院重庆绿色智能技术研究院特聘研究员,硕士生导师。博士毕业于意大利米兰理工大学,师从激光物理学家Guglielmo Lanzani教授。之后到阿卜杜拉国王科技大学从事博士后研究工作,合作导师为超快光谱物理学家Frederic Laquai教授。2018年获得中国科学院百人计划项目支持。研究方向为有机光电器件与工作机理,已在Advanced Science,Angewandte Chemie International Edition,Journal of Materials Chemistry A,Solar RRL等著名杂志上发表SCI论文33篇,其中以第一/通讯作者发表论文11篇,影响因子10以上的论文5篇。

 

 

  团队骨干:段泰男,中国科学院重庆绿色智能技术研究院副研究员,中国科学院青年促进会成员。2013年于武汉大学获得博士学位后,之后先后于台湾清华大学、沙特阿卜杜拉国王科技大学以及丹麦奥尔堡大学从事博士后研究。2017年入职中国科学院重庆绿色智能技术研究院。近10年来,在有机光伏材料设计合成领域开展了系统的研究工作,研究成果以第一作者或通讯作者发表于J. Mater. Chem. A,ACS Applied Materials & Interfaces,J. Power Sources等期刊。主持国家自然科学基金委青年基金项目一项,中国科学院青年创新促进会人才项目1项,重庆市自然科学基金面上项目1项。

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