中南大学邹应萍课题组在有机太阳能电池领域取得突破性进展

作者:光伏协会    浏览:18    发布时间:2019-2-26 16:48:17

近日,国际知名期刊《NatureCommunications》和《Joule》发表了我校化学化工学院邹应萍教授课题组有机太阳能电池材料设计合成及机理研究方面的系列成果。

有机太阳能电池是一种将太阳能转换为电能的新型电子器件,因其制备成本低、光电特性易调节、可制成半透明以及可大面积卷对卷印刷等优点,已成为目前研究的热点。衡量太阳能电池性能的主要指标是其能量转换效率。高效率有机太阳能电池仍然是目前研究的首要目标,也是实现其产业化的关键。

邹应萍教授课题组除了考虑有机太阳能电池材料能级匹配、吸收光谱互补和迁移率平衡外,还从热力学、空间构型等角度考虑材料的兼容性,在2017年首次将电子受体单元苯并三氮唑引入非富勒烯受体稠环中心核,形成一种DAD稠环结构,进而合成了A-DAD-A型有机小分子受体光伏材料。这种A-DAD-A型小分子受体可有效拓宽吸收光谱,降低器件电压损失,此分子设计策略为材料合成提供了新思路(ACSAppl.Mater.Interfaces2017,9,31985−31992)。随后,保持中心核不变,用并二噻吩取代稠环两端的噻吩,将此分子体系从五元环拓展为七元环,并改变不同的端基,设计合成了Y1和Y2非富勒烯受体。邹应萍教授课题组与美国加州大学洛杉矶分校杨阳教授团队及瑞典林雪平大学高峰教授团队合作,经器件优化获得了12.6%的权威认证效率,该效率收录在2018年7月美国可再生能源实验室(NREL)“最佳电池效率”表中。

通过对材料表征发现,吡咯桥环和并噻吩的引入可以拓宽非富勒烯受体分子的光谱吸收,从而显著提高器件的短路电流。苯并三氮唑引入稠环中心核,可有效提高受体分子的荧光量子产率。高的荧光量子产率可增加有效的辐射复合通道,从而提高器件的电致发光量子效率(~0.5×10-4)。结果表明三氮唑吸电子核的引入,大大减少非辐射复合所造成的损失。该工作为高效有机太阳能电池材料设计及如何降低器件电压损失并同时获得高短路电流提供了新思路。

研究成果发表在Nature子刊《自然通讯》(naturecommunication,2019,DOI:10.1038/s41467-019-08386-9)上。论文第一作者为我校2015级博士生袁俊。该工作由邹应萍教授,美国加州大学洛杉矶分校杨阳教授和瑞典林雪平大学高峰教授共同指导完成。

基于课题组提出的A-DAD-A型分子设计策略,进一步通过分子结构优化,将具有更高电子迁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位引入烷基链调控溶解性和分子构象,设计合成了Y6非富勒烯受体。该分子具有较强的吸收和较窄的带隙(1.33eV)以及优异的电子迁移率,制备了正向/反向器件的能量转换效率均为15.7%的单结有机太阳能电池(给体聚合物为PM6),为已报道的单结有机太阳能电池效率的世界最高纪录。这一成果对单结有机太阳能电池的研究具有极其重要的推动作用。有机太阳电池将来大面积印刷制备中的一个瓶颈就是活性层对厚度较强的依赖性,一般情况下,太阳能电池器件的能量转换效率达到最佳的活性层厚度局限在100nm左右,而当此共混薄膜厚度增至300nm时,器件依然可以保持13.6%的能量转换效率,这对于有机太阳能电池的大面积制备非常重要。此项工作对有机太阳能电池未来工业化生产(卷对卷技术)具有积极的影响。

研究成果发表在Cell旗下能源旗舰期刊《焦耳》(Joule,2019,DOI:10.1016/j.joule.2019.01.004)上。论文第一作者为我校2015级博士生袁俊,邹应萍教授为论文通讯作者,合作单位有中科院化学所(正向器件制备和表征)和华南理工大学(反向器件制备和表征),中南大学为第一单位和唯一通讯单位。

《中国科学:化学》等刊物,国家自然科学基金委网站;高分子科技,高分子科学前沿等网站均以头条专题评述其研究成果。该研究工作已申报两项中国专利和一项国际PCT发明专利,得到了国家自然科学基金委、国家科技部、湖南省自然科学基金等联合资助。