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AMR | 二元体异质结体系的多面手外援

近日,香港理工大学李刚教授团队的AMR述评文章“Functional Third Components in Nonfullerene Acceptor-Based Ternary Organic Solar Cells”在线发表。应编辑部邀请,作者团队概述文章要点并进行展望,欢迎感兴趣的读者提问交流。

作者简介






香港理工大学

电子及资讯工程学系

李刚 教授

李刚教授自2016年任职于香港理工大学电子及资讯工程学系,现为钟士元爵士可再生能源教授(Sir Sze-yuen Chung Endowed Professor),香港理工智慧能源研究院副院长。英国皇家化学会会士(FRSC),国际光电工程学会会士(FSPIE)。本科就读于武汉大学空间物理学系,在Iowa State University 获得凝聚态物理博士及电机工程硕士学位。李刚教授主要从事有机聚合物及有机无机钙钛矿半导体材料与器件(太阳电池,发光二极管),光物理及器件物理等方面研究工作。曾为UCLA博士后研究员及研究教授,2007-2011领导Solarmer Energy Inc.公司的聚合物太阳能电池研发。发表论文150余篇, 被引62,000余次(谷歌学术)。自2014年起当选汤姆森-路透/科睿唯安“高被引研究员”(材料科学2014-2020,化学2017-18,物理学2018)。




香港理工大学博士研究生

张颖 同学

张颖,南京信息工程大学学士,2016年于香港科技大学获得硕士学位。现在是香港理工大学电子与资讯工程学系李刚教授课题组的博士研究生。她的研究重点为有机光伏电池的器件及机理。

李刚教授课题组合影


NO. 1

请您和大家介绍一下这篇account里的科研故事和缘由?

有机太阳能电池因为其成本低、质轻、柔性透明性、可印刷制备等独特优点而受到广泛关注。近年得益于非富勒烯的创新合成和快速发展,有机太阳能电池取得了突破性的进展,其光电转换效率已经达到了17-18%,但是其距离产业化还有不短的路要走。当今在学界试图进一步提升有机太阳能电池的性能以及稳定性的研究中,有机材料多组分尤其是三元策略占据着重要地位,并且成为有机光伏电池领域的研究热点。三元策略是在原本的二元体异质结(BHJ)体系中引入第三组分(给体或受体)来拓宽吸收光谱范围,提升效率的同时还可保持单结器件结构简单易制备的特点。更为重要的是,现在基于非富勒烯的三元有机太阳能电池的光电转换效率已经超过17%,并且在稳定性上有长足进展,展示出了很好的发展前景。但是二元体异质结本身的形貌调控已经很复杂,而活性层组分数量的增加使得活性层的分子间相互作用(材料相容性)和形貌控制等更加复杂化。因此,聚焦于第三组分的功能性的总结分析可以为未来的三元有机太阳能电池研究中如何理性选择第三组分,并且阐明其内在机理提供有效的指导。

在这篇Account中,首先我们与研究进展相结合讨论了当前三元有机太阳能电池的工作机理, 包括电荷转移,能量转移两大主导的载流子动力学过程机理。我们特别强调了第三组分材料在非富勒烯有机活性层中的具体功能,包括(1)敏化吸收——第三组分在有效地利用更宽范围的太阳光谱和减少光子能量的量子损失吸收上的重要作用,尤其使用近红外的材料作为第三组分,有很大潜力进一步提高三元有源层的光电流;(2)形貌调控的机理与模型——虽然三元共混纳米结构是一个非常复杂的形貌而且很难进行定量研究,我们同时考虑光电活性层共混材料之间的本质特性(比如材料的电学性质和主/客体的相互作用,材料相容性),以此总结并且分类讨论了平行异质结和合金形貌两种主要形貌模型;(3)光伏电池能损调控的理解与方法——采用能量损失小的给体或受体作为第三组分,尤其是窄带隙的第三组分,可以有效降低三元有机太阳能电池的能量损失;另一方面,得益于合金形貌模型的开路电压Voc调控的优势,运用深HOMO能级的电子给体或是浅LUMO能级的受体材料作为第三组分可以提升Voc从而降低能量损失,而这一概念已被广泛应用到高效的三元有机太阳能电池;(4)第三组分作为形貌及器件稳定剂——从热力学的观点出发,有机共混异质结在纳米尺度维度上的形貌稳定性直接影响到有机太阳能电池器件的长期热稳定性和光照工作稳定性。但是在大部分的有机太阳能电池材料的体系组合中,给体-受体之间的相容性并不理想,导致给受体两相自发性的相分离,从而导致器件性能的衰减。基于这个问题,理性选择第三组分可以促进玻璃化纳米结构的形成从而有利于形貌的维稳性。在这篇Account的最后,我们分享了所面临的限制三元有机太阳能电池效率的进一步发展的的挑战性问题,并且展望了三元有机太阳能电池的发展前景,指出三元有机太阳能电池超过20%的能量转换效率的可能途径。

NO. 2

您有任何想与读者们分享的研究故事和花絮吗?

在这篇Account中,我们聚焦于有机太阳能电池领域的形貌,机理研究方面的自己的见解,不是传统意义上的总结。我的OPV研究始于UCLA时期在杨阳教授团队中进行聚噻吩给体和富勒烯衍生物受体的体异质结太阳能电池的活性层形貌调控研究。起初从原子力显微镜中看到清晰的纤维状结构,觉得可以和BHJ体异质结模型联系起来时,很兴奋。不久后的2006年,我展示出倒置有机太阳能电池结构,再因为意识到纤维状结构是聚噻吩给体材料为多,这种体异质结中给-受体材料的垂直结构分布,传统与倒置器件结构的相互作用等,就使得这个领域其后的研究越来越有趣了。多元有机太阳能电池的形貌研究最初是基于PTB系列和DPP系列窄带系体系中,发现这些新一代OPV体系的材料分子堆积和聚噻吩体系方式完全不同,也因此经过几年的努力证实了分子堆积/结构相容性在多元体系中的重要作用。到香港以后,一方面发现这个结构相容性概念在令人激动的非富勒烯体系及全小分子光伏电池体系中也适用,另一方面合成更深HOMO能级宽带隙受体材料用于三元体系的减小器件能损也略有所成,一步一步走来还是挺有意思的。看着学生从零开始在OPV领域里成长,此次Account在多元OPV进展中进行分类总结,他山之石加上融入了自己的看法和分析,希望能够对OPV领域,包括自己今后的研究有所启发。

NO. 3

请问您对AMR的发展有何期待和建议?


美国化学会ACS出版社旗下的化学类综述期刊Accounts of Chemical ResearchChemical Reviews都是代表全球化学专业领域最高学术质量的述评及综述期刊。我们期待Accounts of Materials Research同样会成为材料学科领域最高影响力的述评期刊,为全球材料研究者提供最高质量的交流平台。希望AMR能积极利用上海科技大学与美国化学会出版社的合作期刊的优势,在合作期刊的国际化上早日成功,做出表率。

扫码阅读李刚教授团队的精彩Account文章:



Functional Third Components in Nonfullerene Acceptor-Based Ternary Organic Solar Cells

Ying Zhang and Gang Li*


原文链接:

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/accountsmr.0c00033?ref=xmol



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