有機太陽能電池由于其輕薄、透明、柔性、易加工等特點,近年來得到科研群體的廣泛關(guān)注。目前基于聚合物給體和小分子受體的太陽能電池已經(jīng)突破19%的能量轉(zhuǎn)化效率, 接近實現(xiàn)商業(yè)化的標準。富勒烯受體通常具有優(yōu)異的電子傳輸性能,可以作為三元有機太陽能電池的客體組分,以提高電荷的提取和光伏效率。然而,傳統(tǒng)的富勒烯小分子通常會出現(xiàn)不理想的相分離和二聚化,使得器件效率與穩(wěn)定性降低,從而限制了它們在有機太陽能電池中的應(yīng)用。
首先,作者通過已報道的ATRP聚合方法得到通過對二甲苯鏈接的聚富勒烯材料,PFBO-C12。此方法相較傳統(tǒng)PCBM的合成方法,省去了復(fù)雜的柱色譜分離純化,僅需要進行索氏提取純化,大大提升了富勒烯的利用率、降低了合成成本。電化學(xué)測試(CV,圖1b)表明其電化學(xué)能級與PCBM相當(dāng)。紫外可見光譜(UV-Vis,圖1c)表明PFBO-C12同PCBM一樣可以與聚合物給體(PM6)/聚合物受體(PY-V-γ)形成互補的光譜吸收。與此同時,共混膜吸收光譜表明,PCBM與PFBO-C12的加入都可以促進受體部分的吸收強度增強(圖1d),而基于PFBO-C12的三元共混薄膜在300-500 nm波長范圍內(nèi)表現(xiàn)出稍強的響應(yīng),這將有利于光子收集與光電流產(chǎn)生。

圖3. 結(jié)晶性與相分離表征結(jié)果(GIWAXS & GISAXS)
小結(jié):作者團隊開發(fā)了聚富勒烯受體(PFBO-C12)作為客體組分,并應(yīng)用于全聚合物太陽能電池中,使其光伏轉(zhuǎn)化過程得到有效促進,能量效率得到有效提升(18.0%)。與此同時,聚富勒烯客體聚合物也使全聚合物太陽能電池的光穩(wěn)定性和機械耐久性得到了有效提升。這項工作表明,引入聚富勒烯作為客體組分,是實現(xiàn)高效、穩(wěn)定的三元全聚合物太陽能電池的有效途徑。
研究以“Improved photovoltaic performance and robustness of all-polymer solar cells enabled by a polyfullerene guest acceptor”為題發(fā)表在國際頂級期刊《Nature Communications》雜志(DOI: 10.1038/s41467-023-37738-9)。
原文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41467-023-37738-9
作者簡介

于涵,博士2017年本科畢業(yè)于北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院,隨后進入香港科技大學(xué)化學(xué)系攻讀研究生,于2021年獲得博士學(xué)位(導(dǎo)師:顏河教授)。畢業(yè)后獲得香港特別行政區(qū)創(chuàng)新科技署-創(chuàng)新科技基金博士后資助項目,于香港科技大學(xué)繼續(xù)博士后研究至今。博士期間主要從事新型聚合物光伏受體材料的設(shè)計與合成工作,著眼于探索新型聚合物光伏受體之間的構(gòu)效關(guān)系,在基于全聚合物太陽能電池的效率與穩(wěn)定性方面取得了重要的創(chuàng)新性研究成果,并數(shù)次創(chuàng)造全聚合物太陽能電池的效率紀錄。發(fā)表SCI學(xué)術(shù)論文44篇,包括以第一作者/共同第一作者/通訊作者發(fā)表在《Nature Communications》、《Advanced Materials》、《Angewandte Chemie》、《Joule》、《Advanced Energy Materials》、《Advanced Functional Materials》等期刊的19篇論文,引用超過2000次,h-因子: 25。目前仍主要從事聚合物受體材料的設(shè)計開發(fā),用于高效率、高穩(wěn)定性、同時易于大規(guī)模加工的柔性有機太陽能電池器件應(yīng)用。

顏河,香港科技大學(xué)終身教授,能源研究院副院長,在有機電子材料領(lǐng)域有多年研究經(jīng)驗,曾創(chuàng)辦著名的Polyera公司。2009年,顏河教授課題組在《自然》雜志上發(fā)表了一個高遷移率的n型有機半導(dǎo)體高分子材料。此材料被譽為開啟了“新晶體管時代”并登上了《自然》的封面。回到香港科大后,顏河教授從事有機太陽能領(lǐng)域的研究,在過去幾年中多次打破有機太陽能電池的世界紀錄。顏河教授的研究成果在2015年被美國國家可再生能源實驗室收錄進著名的“best research-cell efficiency chart”世界紀錄表。香港科技大學(xué)也成為40年來中國第一個有幸錄入“best research-cell efficiency chart”的高校。顏河教授共發(fā)表論文超過370篇,最近幾年一共18次在頂級期刊(Science、Nature及Nature系列期刊)發(fā)表論文。2014年的Nature Communications和2016年的Nature Energy兩篇論文被引用超過3300和3100次,均是該期刊2014年來引用最高的論文。顏河教授是2020年騰訊科學(xué)探索獎的50位獲獎人之一,其近年來連續(xù)入選Web of Science的高倍引學(xué)者,入選香港首屆RGC Research Fellow。顏河教授已經(jīng)建立起一個以香港為中心的高度學(xué)科交叉的國際性科研合作平臺。

陳尚尚,南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院教授,博士生導(dǎo)師,課題組組長,國家級青年人才計劃入選者。2014年獲南京大學(xué)學(xué)士學(xué)位,2018年獲香港科技大學(xué)博士學(xué)位(導(dǎo)師:顏河教授),2018至2021年在美國北卡羅萊納大學(xué)教堂山分校從事博士后研究(導(dǎo)師:黃勁松教授),2022年加入南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院高分子化學(xué)與物理系,任tenure-track PI。以第一/通訊作者在核心期刊發(fā)表SCI論文40余篇,包括Science,Nature Energy,Nature Sustainability,Nature Communications,Science Advances,Joule,JACS,Angew. Chem.,Advanced Materials等,引用6500余次,擔(dān)任Nature,Nature Sustainability,Angew.Chem.等期刊的獨立審稿人,以及Exploration和Nano Research Energy的青年編委。
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