北理工在有機小分子光伏材料領域取得重要進展

知識 07-27

隨著社會發展的日新月異，能源問題已經成為一個越來越重要的話題，尤其是以太陽能、風能、水能等為代表的清潔能源更是人們探索和研究的焦點。

有機太陽能電池是一種利用有機/高分子半導體材料作為光活性層將太陽能轉換為電能的器件。與其他類型的太陽能電池相比，有機太陽能電池具有的低成本、質量輕、製作工藝簡單、可大規模印刷及柔性等優點，已經展現出巨大的商業應用前景。

然而與其他太陽能電池相比，其光電轉化效率還有一定的差距。要想進一步提高有機太陽能電池的性能，人們就必須在新材料的結構設計以及器件加工等方面做更深入的研究。

有機小分子/寡聚物材料以其易修飾和分離提純、結構明確、無批次差別等優點，近年來得到廣泛的關注和研究，但其電池的光電轉換效率整體上還劣於基於高分子材料的器件。如何獲得高光電轉換效率的有機小分子/寡聚物電池材料存在著巨大的挑戰。

最近，化學學院王金亮教授課題組聯合華南理工大學吳宏濱教授課題組、美國伯克利勞倫斯國家實驗室劉烽博士，利用基於氟代苯並噻二唑作為缺電子單元，引達省（IDT）作為富電子單元，聯二噻吩作為封端單元的寡聚物材料和與富勒烯衍生物共混獲得高達9.1%的光電轉化效率和高達0.77的填充因子的有機太陽能電池器件。

這個項目以「SeriesofMultifluorineSubstitutedOligomersforOrganicSolarCellswithEfficiencyover9%andFillFactorof0.77byCombinationThermalandSolventVaporAnnealing」為題在線發表在美國化學會會志（國際化學領域頂級期刊，IF=13.0，（J.Am.Chem.Soc.2016,138,7687-7697））上。

化學學院王金亮教授於2013年3月入選中組部第四批「青年千人計劃」，並依託光電轉換材料北京市重點實驗室籌建了有機光電材料課題組。王金亮教授課題組圍繞如何獲得高光電轉換效率的有機小分子/寡聚物電池材料這個難題，開展了長達3年的潛心鑽研和持續攻關。該課題組先後合成了一系列以富電子的IDT為核，苯並噻二唑/雙氟代的苯並噻二唑為受體單元的有機小分子材料。通過引入氟原子和不同對稱性的連接橋等方式，有效的調節材料對太陽光的吸收能力。該課題組與華南理工大學吳宏濱教授課題組合作，發現以噻吩、硒吩橋為橋的小分子材料的器件效率比以呋喃為橋的小分子材料的光電效率要高很多（Adv.Funct.Mater.2015,25,3514(IF=11.4，頂級期刊），進入ESI高被引論文；Adv.Funct.Mater.2016,26,1803–1812;Chem.Mater.2015,27,4338(IF=9.4，頂級期刊，被引用22次），相關成果發表後進入Chem.Mater.期刊2015年7月份瀏覽量的前10名;J.Mater.Chem.A,2015,3,11575(IF=8.3，頂級期刊);J.Mater.Chem.A,2016,4,2252）。

基於這些前期積累，王金亮教授課題組深入研究了延長π-共軛骨架長度和增加分子中氟原子數目對有機太陽能電池器件光電轉化效率的影響。該課題組合成了一系列基於氟代苯並噻二唑作為缺電子單元，引達省作為富電子單元，聯二噻吩作為封端單元的寡聚物及聚合物(見圖2)。從寡聚物到聚合物其分子尺度，π-共軛骨架的長度以及氟原子的個數逐漸增加。該課題組與華南理工大學吳宏濱教授課題組合作，將這些材料與富勒烯衍生物共混製備了有機太陽能電池。電池器件結果表明寡聚物的器件性能明顯高於聚合物材料。在不同長度的寡聚物中，含有6個氟原子的長度適中的BIT6F其短器件性能明顯高於其他寡聚物（其中BIT既是結構組成的縮寫，又意為北理工）。其高達9.1%的光電轉化效率是目前基於IDT模塊構築的有機太陽能電池的給體材料中的最高記錄。另外高達0.77的填充因子是目前有機太陽能電池中的最高紀錄。另外該部分工作為系統的研究小分子、寡聚物到聚合物的關係搭建了橋樑，便於更深入的揭示「結構—性能」間的構效關係。

相應研究工作在評審過程中得到了「所合成的分子是十分新穎的，並且其研究結果對相關研究者是很有趣的」,「有限的小分子供體材料設計原則已經嚴重的阻礙了高效有機小分子太陽能電池的發展，而這項工作帶來了十分新的見解和思路」，「複雜和具有挑戰性的合成給我留下了很深的印象，這些結果非常有趣，我想發表後一定能極大地推動溶液加工小分子電池材料的進一步發展」以及「這部分工作不僅提供了一類新穎的高性能的有機太陽能電池的給體材料，而且傳遞了一些重要實現高效率器件的新發現。」以及「這個手稿中的結構修飾策略無疑是成功的，其小分子太陽能電池的性能是相當不錯的。」的評價。

該項工作的共同第一作者是化學學院博士生劉凱凱和華南理工大學博士生顏駿同學。該研究工作受到國家/北京市自然科學基金(面上項目)、第九批「千人計劃」（青年項目），北京理工大學傑出中青年教師發展支持計劃、北京理工大學重大項目培育專項計劃等的資助。

此外王金亮教授課題組還開展了具有聚集誘導熒光效應（AIE）的π-共軛小分子材料設計合成以及光波導、壓制變色、細胞成像方面的研究（見圖三）（Chem.Eur.J.2015,21,8504，熱點論文；Chem.Sci.,2016,7,4527–4536；J.Mater.Chem.C,accepted)。相關論文發表後分別被美國化學會會志主編PeterJ.Stang在其發表在J.Am.Chem.Soc.的論文和唐本忠院士在其發表在Chem.Rev.的論文高度評價和引用。

到目前為止，王金亮教授課題組以北理工為第一通訊單位共發表（含接收）11篇SCI論文（其中有9篇一區論文，1篇ESI高被引論文，1篇J.Am.Chem.Soc.,2篇Adv.Funct.Mater.)。

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