北理工團(tuán)隊(duì)在硒取代有機(jī)太陽(yáng)能電池受體材料方面取得重要進(jìn)展
發(fā)布日期：2024-01-30 供稿：化學(xué)與化工學(xué)院 攝影：化學(xué)與化工學(xué)院
編輯：田柳 審核：王振華 閱讀次數(shù)：
近期，北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院王金亮教授團(tuán)隊(duì)在新型硒取代位置異構(gòu)化的小分子受體材料創(chuàng)制及其在高性能有機(jī)太陽(yáng)能電池器件化應(yīng)用方面取得重要進(jìn)展。相關(guān)成果以“Optimized Crystal Framework by Asymmetric Core Isomerization in Selenium-Substituted Acceptor for Efficient Binary Organic Solar Cells”為題，發(fā)表在化學(xué)領(lǐng)域國(guó)際頂級(jí)期刊《Angewandte Chemie International Edition》(2023, 62, e202313016)上。北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院王金亮教授、安橋石特別研究員、國(guó)家納米中心魏志祥研究員和鄧丹研究員為共同通訊作者，北京理工大學(xué)為第一通訊單位，化學(xué)與化工學(xué)院博士研究生楊燦為該論文的第一作者。
面對(duì)全球能源危機(jī)和環(huán)境污染問(wèn)題，為加快實(shí)現(xiàn)國(guó)家提出的“雙碳”目標(biāo)，一場(chǎng)針對(duì)新型清潔能源開(kāi)發(fā)與利用的革命正在緊鑼密鼓地孕育當(dāng)中。有機(jī)太陽(yáng)能電池（OSCs）因其自身具有良好的溶液加工性、機(jī)械柔性、透明、質(zhì)輕、易于卷對(duì)卷印刷和規(guī)模化制備等特性而備受關(guān)注，并在柔性可穿戴電子器件、室內(nèi)光伏和建筑集成一體化領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的商業(yè)應(yīng)用潛力。其中開(kāi)發(fā)新型小分子受體（SMAs）材料是獲得高性能OSCs的最有效途徑之一。從分子工程設(shè)計(jì)的角度來(lái)看，SMAs性能優(yōu)化可以通過(guò)有效的調(diào)控分子的給電子中心核、缺電子端基和烷基側(cè)鏈等策略來(lái)實(shí)現(xiàn)。其中含硒芳香雜環(huán)的引入是一種有效的分子設(shè)計(jì)策略，可以協(xié)同優(yōu)化小分子的光電特性并在各種類(lèi)型的OSCs中提高器件性能。然而，與許多含硫雜環(huán)的受體相比，硒取代的SMAs的系統(tǒng)研究相對(duì)匱乏。同時(shí)，如何利用分子工程來(lái)精確調(diào)節(jié)硒取代受體材料的電子結(jié)構(gòu)和晶體堆積，進(jìn)而優(yōu)化薄膜形態(tài)，實(shí)現(xiàn)器件性能參數(shù)之間的最佳平衡點(diǎn)，發(fā)展性能優(yōu)異的受體材料，是目前有機(jī)太陽(yáng)能電池領(lǐng)域亟待解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題之一。
圖1. 三個(gè)硒取代異構(gòu)受體的分子結(jié)構(gòu)、晶體堆積、器件效率及其設(shè)計(jì)策略
針對(duì)上述的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，王金亮教授團(tuán)隊(duì)在前期重原子取代的有機(jī)小分子太陽(yáng)能電池材料的創(chuàng)制及其在高性能有機(jī)太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用研究工作(Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 19241, ESI高被引論文; Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202216340; Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, e202209454; Energy Environ. Sci., 2022, 15, 320; ACS Energy Lett., 2018, 3, 2967等)的基礎(chǔ)上，為了實(shí)現(xiàn)更加性能優(yōu)異的硒取代小分子受體材料體系，最近通過(guò)運(yùn)用一種核心單硒取代類(lèi)型和位置（中心位置、內(nèi)側(cè)位置和最外側(cè)位置）的區(qū)域異構(gòu)化策略，設(shè)計(jì)合成了一系列單硒取代的新型異構(gòu)化小分子受體材料（S- C SeF、A- I SeF和A- O SeF），其具有相同的缺電子端基和烷基側(cè)鏈基團(tuán)，但具有三個(gè)不同硒原子取代環(huán)境的異構(gòu)化的中心核（DA’’D、D2A’D和D1A’D）。系統(tǒng)地探討了三種（對(duì)稱(chēng)/不對(duì)稱(chēng)）區(qū)域異構(gòu)體的光電行為、分子間堆積的單晶結(jié)構(gòu)、與新型聚合物給體PM1的共混形態(tài)以及對(duì)相應(yīng)OSCs的光伏性能和能量損失的影響。
圖2. 三個(gè)硒取代異構(gòu)受體材料的晶體堆積圖
單晶堆積圖顯示，相比于S- C SeF和A- I SeF，基于最外側(cè)硒取代核心的不對(duì)稱(chēng)A- O SeF由于額外的分子內(nèi)Se-O和分子間F-Se非共價(jià)作用的存在，呈現(xiàn)出了平面性更強(qiáng)的分子骨架、更緊密更有序的3D網(wǎng)絡(luò)堆積，促進(jìn)了更高效的電子傳輸通道的形成。從S- C SeF到A- I SeF, 再到A- O SeF，隨著單硒原子取代位置的外移，相應(yīng)純膜的光學(xué)帶隙逐漸變寬、結(jié)晶性逐漸增強(qiáng)、電子遷移率逐漸增大。將其分別和商品化聚合物給體PM1共混后，基于A- O SeF的二元電池光電能量轉(zhuǎn)換效率高達(dá)18.5%，明顯高于基于A- I SeF（17.6%）和S- C SeF（16.3%）的器件結(jié)果。其性能的提升主要?dú)w因于A- O SeF抬升的LUMO能級(jí)以及最優(yōu)的納米纖維共混形貌和分子堆積，進(jìn)而促進(jìn)了更有效的激子產(chǎn)生和收集以及顯著抑制了能量損失。值得一提的是，18.5%的光電能量轉(zhuǎn)換效率是報(bào)道時(shí)基于硒取代小分子受體二元本體異質(zhì)結(jié)型有機(jī)太陽(yáng)能電池的效率記錄值。綜上，這項(xiàng)系統(tǒng)性的工作不僅證明了SMAs中硒取代位置和硒雜芳環(huán)類(lèi)型的調(diào)控在優(yōu)化晶體堆積行為和促進(jìn)硒取代受體高效率和低能量損失平衡中的協(xié)同作用和重要性，而且對(duì)未來(lái)發(fā)展高性能的SMAs的協(xié)同設(shè)計(jì)原則提供了新的見(jiàn)解。
圖3. 三個(gè)硒取代受體材料的有機(jī)太陽(yáng)能電池器件性能對(duì)比
上述研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、國(guó)家海外高層次青年人才項(xiàng)目、北京理工大學(xué)特立青年學(xué)者計(jì)劃、北京理工大學(xué)研究生科研水平和創(chuàng)新能力提升專(zhuān)項(xiàng)計(jì)劃等項(xiàng)目以及北京市光電轉(zhuǎn)換材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和北京理工大學(xué)分析測(cè)試中心的支持。韓國(guó)高麗大學(xué)的Han Young Woo教授、北京工商大學(xué)李熊教授團(tuán)隊(duì)、中科院化學(xué)所朱曉張研究員團(tuán)隊(duì)給予了大力支持。
文章鏈接：https://doi.org/10.1002/anie.202313016
附作者簡(jiǎn)介：
王金亮，化學(xué)與化工學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師。2008年博士畢業(yè)于北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院，2013年入選國(guó)家海外高層次青年人才計(jì)劃，2021年成為中國(guó)化學(xué)會(huì)高級(jí)會(huì)員。主要從事有機(jī)與高分子光電能量轉(zhuǎn)換材料創(chuàng)制及其在高性能有機(jī)太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用研究。至今在J. Am. Chem. Soc.等國(guó)際高水平學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表SCI論文100余篇，總被引用7000余次。2016年被評(píng)為北理工優(yōu)秀碩士學(xué)位論文指導(dǎo)教師，2021年被評(píng)為北京市優(yōu)秀本科畢業(yè)論文指導(dǎo)教師。目前擔(dān)任《SusMat》《Battery Energy》和《EcoEnergy》青年編委和北理工英文學(xué)報(bào)編委。
安橋石，北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院特別研究員、博士生導(dǎo)師。2020年4月加入北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，主要從事有機(jī)光電子材料與器件方面的工作。迄今以第一/通訊作者身份在Energy Environ. Sci.; Angew. Chem., Int. Ed.; ACS Energy Lett.等國(guó)際高水平期刊上發(fā)表SCI論文40余篇，論文共計(jì)被引7000余次，主持國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目，入選科睿唯安全球高被引科學(xué)家。
分享到：