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編者按：有機(jī)太陽能電池是一種將太陽能轉(zhuǎn)換為電能的新型電子器件，因其制備成本低、光電特性易調(diào)節(jié)、可制成半透明以及可大面積卷對卷印刷等優(yōu)點(diǎn)，已成為目前研究的熱點(diǎn)。衡量太陽能電池性能的主要指標(biāo)是其能量轉(zhuǎn)換效率。高效率有機(jī)太陽能電池仍然是目前研究的首要目標(biāo)，也是實(shí)現(xiàn)其產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵。

近日，國際知名期刊《NatureCommunications》和《Joule》發(fā)表了我?；瘜W(xué)化工學(xué)院鄒應(yīng)萍教授課題組有機(jī)太陽能電池材料設(shè)計(jì)合成及機(jī)理研究方面的系列成果。

鄒應(yīng)萍教授課題組除了考慮有機(jī)太陽能電池材料能級匹配、吸收光譜互補(bǔ)和遷移率平衡外，還從熱力學(xué)、空間構(gòu)型等角度考慮材料的兼容性，在2017年首次將電子受體單元苯并三氮唑引入非富勒烯受體稠環(huán)中心核，形成一種DAD稠環(huán)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而合成了A-DAD-A型有機(jī)小分子受體光伏材料。這種A-DAD-A型小分子受體可有效拓寬吸收光譜，降低器件電壓損失，此分子設(shè)計(jì)策略為材料合成提供了新思路(ACSAppl.Mater.Interfaces2017,9,31985−31992)。隨后，保持中心核不變，用并二噻吩取代稠環(huán)兩端的噻吩，將此分子體系從五元環(huán)拓展為七元環(huán)，并改變不同的端基，設(shè)計(jì)合成了Y1和Y2非富勒烯受體。鄒應(yīng)萍教授課題組與美國加州大學(xué)洛杉磯分校楊陽教授團(tuán)隊(duì)及瑞典林雪平大學(xué)高峰教授團(tuán)隊(duì)合作，經(jīng)器件優(yōu)化獲得了12.6%的權(quán)威認(rèn)證效率，該效率收錄在2018年7月美國可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)“最佳電池效率”表中。

通過對材料表征發(fā)現(xiàn)，吡咯橋環(huán)和并噻吩的引入可以拓寬非富勒烯受體分子的光譜吸收，從而顯著提高器件的短路電流。苯并三氮唑引入稠環(huán)中心核，可有效提高受體分子的熒光量子產(chǎn)率。高的熒光量子產(chǎn)率可增加有效的輻射復(fù)合通道，從而提高器件的電致發(fā)光量子效率(~0.5×10-4)。結(jié)果表明三氮唑吸電子核的引入，大大減少非輻射復(fù)合所造成的損失。該工作為高效有機(jī)太陽能電池材料設(shè)計(jì)及如何降低器件電壓損失并同時獲得高短路電流提供了新思路。

研究成果發(fā)表在Nature子刊《自然通訊》(naturecommunication,2019,DOI:10.1038/s41467-019-08386-9)上。論文第一作者為我校2015級博士生袁俊。該工作由鄒應(yīng)萍教授，美國加州大學(xué)洛杉磯分校楊陽教授和瑞典林雪平大學(xué)高峰教授共同指導(dǎo)完成。


基于課題組提出的A-DAD-A型分子設(shè)計(jì)策略，進(jìn)一步通過分子結(jié)構(gòu)優(yōu)化，將具有更高電子遷移率的苯并噻二唑替代苯并三氮唑引入到分子骨架中,在并二噻吩的β位引入烷基鏈調(diào)控溶解性和分子構(gòu)象，設(shè)計(jì)合成了Y6非富勒烯受體。該分子具有較強(qiáng)的吸收和較窄的帶隙(1.33eV)以及優(yōu)異的電子遷移率，制備了正向/反向器件的能量轉(zhuǎn)換效率均為15.7%的單結(jié)有機(jī)太陽能電池(給體聚合物為PM6)，為已報(bào)道的單結(jié)有機(jī)太陽能電池效率的世界最高紀(jì)錄。這一成果對單結(jié)有機(jī)太陽能電池的研究具有極其重要的推動作用。有機(jī)太陽電池將來大面積印刷制備中的一個瓶頸就是活性層對厚度較強(qiáng)的依賴性，一般情況下，太陽能電池器件的能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)到最佳的活性層厚度局限在100nm左右，而當(dāng)此共混薄膜厚度增至300nm時，器件依然可以保持13.6%的能量轉(zhuǎn)換效率，這對于有機(jī)太陽能電池的大面積制備非常重要。此項(xiàng)工作對有機(jī)太陽能電池未來工業(yè)化生產(chǎn)(卷對卷技術(shù))具有積極的影響。

研究成果發(fā)表在Cell旗下能源旗艦期刊《焦耳》(Joule,2019,DOI:10.1016/j.joule.2019.01.004)上。論文第一作者為我校2015級博士生袁俊，鄒應(yīng)萍教授為論文通訊作者，合作單位有中科院化學(xué)所(正向器件制備和表征)和華南理工大學(xué)(反向器件制備和表征)，中南大學(xué)為第一單位和唯一通訊單位。


《中國科學(xué)：化學(xué)》等刊物，國家自然科學(xué)基金委網(wǎng)站；高分子科技，高分子科學(xué)前沿等網(wǎng)站均以頭條專題評述其研究成果。該研究工作已申報(bào)兩項(xiàng)中國專利和一項(xiàng)國際PCT發(fā)明專利，得到了國家自然科學(xué)基金委、國家科技部、湖南省自然科學(xué)基金等聯(lián)合資助。

原標(biāo)題：中南大學(xué)鄒應(yīng)萍課題組在有機(jī)太陽能電池領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展