交叉合作 DIY创新 推动有机太阳能电池性能瓶颈的突破
发布人:任振夏  发布时间:2021-12-16   

近日,先进低维材料中心特聘研究员唐正课题组有关降低有机太阳能电池器件电压损失的研究成果,刊于《自然通讯》。论文“Increasing Donor-Acceptor Spacing for Reduced Voltage Loss in Organic Solar Cells”第一作者为东华大学博士生王静,第一单位为东华大学先进低维材料中心、纤维材料改性国家重点实验室、材料科学与工程学院。该成果明确了给受体间距对有机光伏器件电压损失的影响,并提供了调控给受体间距的材料设计策略,为突破有机太阳能电池性能瓶颈提供了新思路。

 

DA间距”新思路

 

唐正表示,成果的积累源于对有机太阳能电池工作机理的深入理解,器件制备工艺与表征技术的进步,以及有机光伏材料结构设计的创新。

 

在科研领域,随着有机给受体半导体材料的快速发展,有机太阳能电池器件光电转换效率快速提高,即将突破20%。然而,有机光伏器件性能目前仍然受限于器件较低的输出电压,因此,如何减少器件内部电压损失成为当前有机太阳能电池器件研发领域的焦点和难点问题。在太阳能电池器件中,器件电压损失源自载流子的复合:有机给受体太阳能电池中,电子与空穴在给受体材料分子界面处相遇并快速复合,导致器件电压损失过大。一般认为,因有机分子中存在大量的碳碳键振动,会加速载流子的复合。因此,有机光伏器件电压损失总是过大。

 

在发表于《自然通讯》的论文中,唐正课题组首次提出有机光伏器件中的分子振动对载流子复合的加速作用与给受体间距——“DA间距”相关。课题组通过对有机半导体材料分子结构的微调控,实现了对给受体薄膜中“DA间距”的连续调控,通过增加“DA间距”有效地降低载流子的复合速率,从而降低了器件的电压损失,提升了器件输出电压及光电转换效率。这一研究成果将有利于设计更高性能的给受体材料,以及开发更理想的共混薄膜沉积工艺方案。

 

在研究过程中,课题组首先研究了基于给受体单元通过烷基链共价相连的双榄型(DCDA)聚合物的薄膜。通过TEMGIWAXS测试,发现薄膜具有清晰的微观结构,而“DA间距”与烷基连接基团的长度相关。然后,通过分析基于DCDA聚合物的有机光伏器件的性能参数,研究人员发现“DA间距”越大,载流子复合速率越小,且器件电压损失越低,证实了分子振动对载流子复合速率的影响确实与“DA间距”关系紧密。

 

随后,课题组通过分子动力学模拟,进一步分析了给受体分子在更常见的本体异质结(BHJ)薄膜中的堆积方式及“DA间距”。研究结果显示,在高性能BHJ体系中,给受体分子相互堆积方式以平行pi-堆积为主,“DA间距”不到4埃米,因此分子振动对载流子复合影响极大,从而限制器件开路电压。随后,课题组通过增加给受体材料的烷基侧链长度,成功将BHJ薄膜中给受体分子的相互堆积距离增大,实现了载流子复合速率的降低,以及器件开路电压的提升。(论文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-021-26995-1

 

此外,课题组近来在相关领域已取得一系列研究成果,相继发表在Chem.Mater.2021335147-5155),J.Mater.Chem.A2021919770-19777),J.Mater.Chem.C2021911753-11760ACS Photonics 201961393-1399)等国际学术刊物。

 

交叉合作 DIY创新


科技创新离不开精准测试仪器的支撑,此论文就是依托课题组自主搭建的高灵敏光谱测试系统开展的研究成果。论文合作方,北京化工大学李韦伟教授、比利时哈塞尔特大学Koen Vandewal教授对该系统予以高度评价,“弥补了国内有机光电测试领域的设备空白,达国际领先水平”“与国内商业化测试设备相比,测量灵敏度超过6-8,甚至10个数量级!”。据悉,早在2019年,唐正课题组该套DIY设备的新鲜出炉,就已在国内外有机光伏研究领域引发关注。得益于类似高水平高灵敏测试系统的搭建,课题组已与中国科学院、北京大学、上海交通大学等科研院所合作发表SCI论文50余篇,成功申报研究项目10个,在领域里崭露头角。

 

“此研究只是平台推进交叉合作的初步成果,还有更多工作有待我们自主创新。”该平台召集人王明很认同唐正的观点。他回忆道,2018年,中心主任兼首席科学家在力邀他们这些在海外的学者加盟中心时,描绘的立足低维特色,构建科研体系,促进交叉共享的愿景深深吸引了心怀梦想的自己。当时身在加州大学圣巴巴拉分校的王明与在瑞典林雪平大学任职助理教授的唐正、在德国德累斯顿工业大学的洪堡学者马在飞一拍即合,回国创业!“这样的平台避免了年轻人的单兵作战,是挑战,更是机遇!”

 

入职东华3年来,王明、唐正、马在飞在中心组建了“智能有机光电研究平台”,立足学校“新型纤维材料”“先进纺织智能制造技术”特色研究领域,专注于“有机近红外光探测器”和“有机光伏电池”等基础应用研究。其中,王明主攻材料,马在飞聚焦工艺,唐正专研机理并从理论视角深入分析材料性质、工艺过程中的存在问题和改进策略。3人具体研究各有侧重,但在平台内,甚至在中心内都是紧密合作、资源共享, “这种以合作共享为核心的PI科研管理模式在国际广泛应用,能够有效激发创新活力。”

 

今年,平台与瑞士相关课题组的合作研发项目还成功获批科技部的高端外专项目。论文一作、课题组博生生王静也深有感触,日常科研需要同学们跨学科学习并整合化学、物理、表征、形貌等知识,还常得与国内外科研机构进行交流。虽然面临诸多挑战,但就是这样浓厚、开放的创新氛围坚定了自己还有很多同学读博深造的决心。

 

日拱一足,久久为功

 

该成果的系统研究耗时3年多,唐正说,他很认同中心主任兼首席科学家日常对PI们的叮咛,“不要急于发论文,深刻的理解、系统的研究更重要”。而对科研工作者而言,这样的过程就像是在黑夜中的艰苦跋涉。王明打了个比方,在黑夜中的征途上,从0%80%的阶段都要忍受毫无成果的煎熬,唯有硬着头皮坚持去做,进度推到90%或可看到一丝曙光。马在飞也感慨说,创业3年激发了自己“短跑速滑”的拼劲,更磨砺了自己马拉松式的韧劲,不仅是做科研,还包括带学生。

 

来到东华3年,3位学者最自豪的是自己的学生。在学校支持下,截止今年12月他们共培养了13名研究生。不少学生尽管有着材料化学相关基础,但在有机光电等领域的知识储备还非常薄弱。3位学者本着“有教无类”“因材施教”的理念,从零开始手把手地教。如今这些学生都能够独立设计实验,并对基础原理和分析方法有了深层次的理解。

 

王静说,在同学们眼中,唐老师既是引领学科交叉的导师,又是擅长仪器DIY的工程师,好像什么问题都难不倒他。今年,课题组首名硕士毕业生陈志经层层选拔,入职台积电工艺整合部,作为其中唯一的一名应届生,他很快就适应了高强度的岗位要求,新近还获得了部门“最佳新人奖”。“这里的氛围与我们课题组很相像,练就系统思维和克难能力,能感受到自己的快速成长”。

 

“我们会继续攻关,在实际应用中寻找并解决科学问题,研制出更高精度的光电转化材料及光伏器件,并探索其在碳中和产业、5G物联网和智慧城市等领域的潜在应用。”3位学者对未来充满向往。实验室的灯火通明见证着他们灵魂深处激荡的学术至上的信仰和“奋斗不息”的精神。

 

这些年轻人感到,在东华包容的环境和中心交叉的氛围中,他们离自己的抱负更近了。(撰稿:彭静、王静)

 

附:先进低维材料中心智能有机光电平台成员简介:

 

唐正,东华大学先进低维材料中心,纤维材料改性国家重点实验室,研究员,博士生导师。2014年博士毕业于瑞典林雪平大学生物与有机电子专业(导师:Olle Inganas教授)。20142016年在林雪平大学应用物理系从事博士后、助理教授工作。2016-2017年在德国德累斯顿工业大学应用光物理系任洪堡学者。20181月加入东华大学,任有机光电器件课题组组长。发表SCI论文90余篇。承担上海市科委浦江人才项目、国家自然科学基金委面上项目、重点项目子课题。课题组研究方向为有机太阳能电池和光电探测器技术,研究主要聚焦器件工作原理及性能损失机理。

王明,东华大学先进低维材料中心,纤维材料改性国家重点实验室,研究员,博士生导师。2012年博士毕业于华南理工大学材料科学与工程学院,20122017年在美国加州大学圣巴巴拉分校开展博士后研究工作,201712月加入东华大学。课题组的研究方向为高性能共轭高分子材料的设计合成及器件应用。发表SCI论文近70篇,承担国家自然基金委青年、面上项目以及上海市科委自然基金面上项目等。

马在飞,东华大学先进低维材料中心,纤维材料改性国家重点实验室,研究员,博士生导师。2013年博士毕业于瑞典林雪平大学应用物理系,随后分别在瑞典林雪平大学和德国德累斯顿工业大学开展博士后研究工作。2017年12月加入东华大学。目前,课题组研究方向聚焦有机光电子器件工艺研究方向,发表SCI论文70余篇,承担国家自然基金委面上项目,上海市科委自然基金面上项目等项目。