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南京工业大学张仕明教授团队:发表系列非富勒烯受体研究成果
2017-12-07 来源:中国流变网    点击次数:17次    

  目前,由于化石能源的过渡开采和利用给环境带来极大压力,使得治霾工作举步维艰,另外这些化石能源的日益减少也给能源问题敲响着警钟。因此可再生能源的开发刻不容缓,开发利用太阳能逐步成为热门的研究课题。有机太阳能电池(OSCs)是将太阳能有效转化为电能的光伏器件,具有质量轻、柔性、低成本、可溶液加工和大面积制备等突出优势,成为全球科研工作者研究的热点,其中有机半导体活性层中的受体材料是太阳能电池中的研究重点。受体材料可以分为经典的富勒烯受体和新兴的非富勒烯受体两类。目前,基于富勒烯受体材料的有机光伏器件经过近三十年的发展,已经实现了高达11%的光电转化效率(PCE),但是由于富勒烯及其衍生物作为受体材料具有自身的缺陷,例如制备和提纯成本高、在可见光区吸收能力弱、能级水平调控较难、稳定性较差等,在一定程度上限制了有机太阳能电池进一步应用。

  为了解决上述问题,急需开发高效率的非富勒烯受体材料。非富勒烯受体材料已经取得了显著的成果,基于非富勒烯受体材料的有机光伏器件经过2年的发展,其光电转化效率就从5%提高到14%这篇综述整理并总结了最近几年有关基于非富勒烯受体(有机小分子和高分子聚合物)的有机太阳能电池的研究进展,根据其分子不同的几何构型和独特结构单元,列举了一系列高性能的非富勒烯受体材料。分子设计思路和结构性能关系在文中也有所讨论,同时也强调了目前所面临的机遇和挑战。文末特别指出,目前有机太阳能电池的发展不能仅仅追求效率,因为效率已经不再是制约其进一步产业化的最重要的障碍,呼吁该领域的研究团队多关注有机太阳能电池制备的工艺及器件稳定性等重大问题,一起推动有机太阳能电池朝着正确的方向发展。长达54页的该项工作发表在Macromolecular Rapid Communications上(DOI:10.1002/marc.201700555),第一作者为南工IAM的硕士研究生刘福川同学。

  在此基础上,张仕明教授团队与中国科学院大学黄辉教授团队合作,设计并合成了一种新型的非富勒烯受体材料IDT-Tz,通过在分子中引入“氮-硫”构象锁提高了分子的平面性和刚性,从而提高了分子的光电性能。基于PTB7-Th:IDTTz的聚合物太阳能电池得到了8.4%的光电转化效率,相较于未引入“氮-硫”构象锁的分子IDT-T,效率有大幅度的提高。引入分子内非成键构象锁成为了一种新型的设计高效非富勒烯受体材料的途径,具有重要的指导意义和广阔前景。该项工作近期发表在J. Mater. Chem. A上(2017, 5, 21674-21678.),第一作者为南工IAM的硕士研究生于思淼同学。该项工作被评为该期热点文章,并被选为封面。

  另外,随着非富勒烯材料的发展,特别是自2015年北京大学占肖卫课题组发表非富勒烯小分子受体ITIC以来,基于非富勒烯受体得有机太阳能电池性能已经超过了富勒烯类的水平。然而,非富勒烯与富勒烯材料有着很大的区别,一般非富勒烯受体材料的吸收都要远远好于富勒烯,因此在发展非富勒烯受体的同时,也急需要发展与之匹配的给体材料。南工IAM张仕明教授和南方科技大学郭旭岗副教授课题组合作设计并合成了两个基于邻苯二甲酰亚胺的非富勒烯给体材料TPhI-BDT和TffPhI-DBT,与非富勒烯受体材料IDIC共混后制备了有机太阳能电池,TPhI-BDT取得了8.31%的光电转换效率而通过引入氟原子后,TffPhI-DBT的光电转换效率更是达到了9.48%,这一结果表明了邻苯二甲酰亚胺给体材料在非富勒烯有机太阳能电池中具有很好的前景。该工作近期发表在Macromolecules上(DOI: 10.1021/acs.macromol.7b01958),第一作者为南工IAM的硕士研究生虞坚炜同学。该工作被评为该月最受欢迎文章,下载量top20。

  上述工作得到了科技部国家重点研发计划战略性先进电子材料重点专项及国家自然科学基金面上项目的支持。

  三篇文章链接如下:

  http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/marc.201700555

  http://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2017/ta/c7ta05774a

  http://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acs.macromol.7b01958

 
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