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  基于全聚合物的有機太陽能電池（all-PSC）是近期的光伏熱點課題，其中端基的選擇能調控聚合物受體的光電性能及活性層形貌特征，是提高器件效率的重大因素之一。因此，調整端基取代位置、了解分子與器件的構效關系，從而提升電池效率是科研工作者的重點研究方向。近期，香港科技大學化學系顏河教授課題組開發了一系列氟原子取代的端基，并應用于聚合物受體的合成。團隊深入研究了氟原子的個數、取代位置、骨架規整化、多組分策略等方面對all-PSC器件效率的影響，取得了一系列重要成果，相關工作發表于Adv. Energy Mater. (IF = 25.245)，Angew. Chem. Int. Ed. (IF = 12.959)，Adv. Funct. Mater. (IF = 16.836) 及Joule (IF = 29.155) 等。

1、Advanced Energy Materials：氟化端基聚合物受體助力全聚合物太陽能電池效率突破14%

  近年來，盡管端基氟化已在開發高效小分子受體（SMA）方面取得了巨大的成功，但該策略尚未用于聚合物受體的開發。在本工作中，作者首先開發了一種由氟原子和溴原子同時修飾的二鹵化端基IC-FBr，然后將其用于新型聚合物受體(PYF-T)的制備中。

圖1. PY-T, IC-FBr和PYF-T的化學結構

  研究發現，與非氟化合物PY-T相比，PYF-T具有更強且紅移的吸收光譜，更強的分子堆積和更高的電子遷移率。同時，PYF-T端基上的氟化使其能級下降，與給體PM6的匹配度更高，使得電荷轉移效率高，電壓損失小。因此，PM6:PYF-T的器件效率（PCE）為14.1%，高于PM6:PY-T的11.1%，為當時報道的all-PSC中的最高值之一。這項工作證明了端基氟化在設計高性能聚合物受體方面的有效性，增強分子內電荷轉移拓寬光譜吸收，同時氟原子誘導的超分子相互作用增強了分子之間的排列從而有利于電荷傳輸，這為開發更高效和穩定的all-PSC提供了指導思路。

圖2. (a) 伏安特性曲線；(b) 外量子效率譜；(c) 飽和光電流-有效電壓變化曲線；(d) 短路電流-光強變化曲線。

  該文章的（共同）第一作者是香港科技大學的博士生于涵，齊振玉，林雪平大學的博士生虞堅煒，通訊作者為香港科技大學顏河教授，武漢大學閔杰研究員，林雪平大學的高峰教授，香港科技大學羅正輝博士。

  原文鏈接：

  Yu et al. Fluorinated End Group Enables High-Performance All-Polymer Solar Cells with Near-Infrared Absorption and Enhanced Device Efficiency over 14%, Adv. Energy Mater. 2021, 11, 2003171 (DOI: 10.1002/aenm.202003171)

  https://doi.org/10.1002/aenm.202003171

2、Angewandte Chemie：定位氟化端基引導區域規整聚合物受體有效提升全聚合物太陽能電池效率至15.2%!

  小分子受體（SMA）的聚合位點對全聚合物太陽能電池（all-PSC）的器件性能有著至關重要的影響。與上篇IC-FBr的氟、溴共同修飾的端基（IC-FBr1和IC-FBr2的混合物）的工作（Adv. Energy Mater. 2021, 11, 2003171）不同，該文章進一步合成并純化了兩個不同位置的氟溴取代的端基（IC- FBr-o和IC-FBr-m），然后分別制備了兩個名為PYF-T-o和PYF-T-m的區域規整的聚合物受體。與無規共聚物PYF-T和通過弱共軛方式連接的PYF-T-m相比，通過強共軛方式連接的PYF-T-o表現出更強的紅移吸收，最終實現了更好的光子收集與電流提升。

圖3. 文章涉及的端基IC-FBr、IC-FBr-o和IC-FBr-m的化學結構，以及聚合物受體PYF-T、PYF-T-o、PYF-T-m的化學結構。

  同時，PYF-T-o與給體PM6共混后形成更加規整的分子排列與更理想的相分離尺寸，從而增強了激子分離、抑制了電荷復合并實現了有效的電荷傳輸。值得關注的是，兩種異構體聚合物受體PYF-T-o和PYF-T-m之間存在顯著的性能差異，PM6:PYF-T-o的器件可達15.2％的效率，而PM6:PYF-T-m的器件僅有1.4％的效率。這項工作證明了確定氟化端基的偶聯位置在設計高性能區域規整的全聚合物受體方面的重要性，為開發具有更高效率的all-PSC提供了指導。

圖4. (a) 伏安特性曲線；(b-c) 能量轉換效率-開路電壓以及能量轉換效率-短路電流曲線對應效率大于8%的all-PSC；(d) 外量子效率譜；(e) 時間分辨光致發光譜；(f) 瞬態光電流譜；(f) 瞬態光電壓譜。

  該文章的（共同）第一作者是香港科技大學的博士生于涵，潘明奧，武漢大學博士生孫瑞，通訊作者為香港科技大學顏河教授，武漢大學閔杰研究員，香港科技大學張健全博士和羅正輝博士。

  原文鏈接：

  Yu et al. Regio-Regular Polymer Acceptors Enabled by Determined Fluorination on End Groups for All-Polymer Solar Cells with 15.2% Efficiency, Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 10137– 10146 (DOI: 10.1002/anie.202016284)

  https://doi.org/10.1002/anie.202016284

3、Advanced Function Material：二氟單溴端基片段修飾聚合物受體助力全聚合物太陽能電池，在空氣加工+綠色溶劑加工條件下依然具備高效率以及超高穩定性。

  本文設計并合成了二氟單溴端基，并將其用于構建新型聚合物受體(PY2F-T)，得到效率為15.22%的全聚合物太陽能電池。氟化的策略可以提高原有的PY-T受體的分子內電荷轉移和鏈間堆積，優化聚合物受體的光子捕獲和電荷遷移率。此外，詳細的形貌研究表明，基于PY2F-T的混合物顯示出較小的相分離尺寸和較高的相區純度，相關時間分辨實驗亦可證實多氟化策略能有效抑制電荷復合。這些聚合物的特性可同時增強基于PY2F-T器件的J_SC和FF，最終實現超過15％的器件效率，這大大優于基于非氟化PY-T聚合物的器件效率（13％）。更重要的是，基于PY2F-T的活性層可以在空氣條件下進行旋涂加工，仍然可以達到14.37％的效率。它們也可以使用非鹵代溶劑鄰二甲苯（無添加劑）進行加工，同時具有13.05%的良好性能。這項工作證明了氟化端基的策略在高性能聚合物受體設計中的成功，這為開發新的可大規模加工全聚合物太陽能電池提供了高穩定性和高效率的商業化指導的思路。

圖5. 過往經典的聚合物受體氟化策略：連接基元氟化；文章涉及到的PY-T、IC-2FBr、PY2F-T的化學結構

圖6. (a)器件結構圖 (b)伏安特性曲線；(c)能量轉換效率-短路電流曲線對應效率大于8%的all-PSC；(d) 外量子效率譜；(e) 瞬態光電流譜；(f) 瞬態光電壓譜。

  該文章的（共同）第一作者是香港科技大學博士生于涵，羅四維，武漢大學博士生孫瑞，通訊作者為香港科技大學顏河教授，張健全博士，北卡羅來納州立大學Harald Ade教授，武漢大學閔杰研究員。

  原文鏈接：

  Yu et al. A Difluoro-Monobromo End Group Enables High-Performance Polymer Acceptor and Efficient All-Polymer Solar Cells Processable with Green Solvent under Ambient Condition. Adv. Funct. Mater. 2021, 2100791 (DOI: 10.1002/adfm.202100791)

  https://doi.org/10.1002/adfm.202100791

4、Joule：三元互補策略助力全聚合物太陽能電池效率突破17%。

  在完成對氟化數量與偶聯位置的優化之后，課題組試圖進一步提升全聚合物太陽電池的光電轉換效率。三元策略調節光譜吸收與軌道能級在有機太陽能電池領域已經取得了非常多的成就，于是，在窄帶隙的PY2F-T的共混膜中添加吸收藍移的受體材料有機會在不損失電流的前提下提升開路電壓從而進一步提升能量轉換效率。

圖6. 文章中涉及到的材料以及能量轉換效率分別對應填充因子、能量損失、T80穩定性散點圖，以及歸一化的器件效率穩定性曲線。

  將無氟取代的PYT作為第三組分引入PM6：PY2F-T主體系統中后，由于三元共混物的互補吸收和微調的微觀結構，使得改善后的器件PCE高達17.2％，在可見和近紅外光譜區域中的外量子效率超過80％。值得注意的是，與相應的二元體系相比，三元共混物顯示出更少的能量損失，更好的光吸收和光熱穩定性。這項工作促進了高性能三元全聚合物系統的發展，并為加速全聚合物太陽能電池的可能應用預示了更光明的未來。

  該文章的第一作者是武漢大學博士生孫瑞，通訊作者為武漢大學閔杰研究員，香港科技大學顏河教授及于涵博士。

  原文鏈接：

  Sun et al. Achieving over 17% efficiency of ternary all-polymer solar cells with two well-compatible polymer acceptors, Joule, 2021, In press (DOI: 10.1016/j.joule.2021.04.007)

  https://doi.org/10.1016/j.joule.2021.04.007