中國石油大學趙學波團隊 Nano Energy：基於無定型聚合物給體材料的高性能有機太陽能電池

【背景介紹】

隨著全球能源危機的不斷加劇，尋找新的清潔能源成了擺在人類面前的一個迫切需求。有機太陽能電池具有成本低、質量輕、材料來源廣泛、可採用印刷方式加工、可製備柔性器件等諸多優勢，近年來受到了廣泛的關注。過去，研究人員普遍認為使用具有高結晶性的共軛電子給體材料有利於器件內電荷的傳輸，是獲得高性能有機太陽能電池的一個必備條件。相比之下，結構無序的電子給體鮮有報道，人們對這類材料的認識相對缺乏。

【成果簡介】

近日，Nano Energy刊登了中國石油大學（華東）趙學波團隊的研究論文「基於無定形電子給體材料與修飾富勒烯受體的高性能有機太陽能電池」（High effciency organic solar cells based on amorphous electron-donating polymer and modified fullerene acceptor）。論文由中國石油大學（華東）、江漢大學、西安近代化學研究所、上海交通大學，華南理工大學等單位合作完成。中國石油大學（華東）非常規油氣與新能源研究院趙學波教授為論文第一單位通訊作者，肖標博士為第一作者。

【文章亮點】

該文利用一種在結構上高度無序的電子給體與富勒烯衍生物電子受體作為光活性層材料，採用低沸點溶劑蒸汽退火處理的方式製備並優化了電子有機太陽能電池，獲得了光電轉換效率高達7.25%的有機太陽電池器件。作者採用一系列光學與電學手段闡明了採用溶劑蒸汽退火工藝處理光活性層造成器件性參數能（尤其是開路電壓）發生顯著改變的原因。

【圖文導讀】

圖1.無定型電子給體材料的分子結構及其光伏器件的基本光電性能

a）無定型電子給體PBDTTFTQ-DO的分子結構式；

b）溶劑蒸汽退火處理前後器件的電流-電壓圖；

c）電池的量子轉換效率圖；

b）溶劑退火前後薄膜的吸收圖；

f）溶劑處理前後器件內的激子生成速率圖。

圖2.光活性層薄膜的形貌表徵

a）- c）溶劑蒸汽處理前後的GIXD圖；

d）薄膜的軟X射線衍射圖譜。

圖3.器件中載流子的傳輸性能評價

a）溶劑蒸汽退火處理前後單載流子器件的電流-電壓特性；

b）採用交流阻抗譜得到的載流子遷移率隨電場的變化規律。

圖4.不同模擬光強下器件的輸出特性

a）、b）溶劑蒸汽處理前後電池的J-V特性曲線；

c）器件的填充因子隨光強的變化規律。

圖5.交流阻抗分析結果

a）、b）As cast與Solvent annealed 器件的阻抗測試圖；

c）- f）器件的傳輸電阻（Rtrans）、複合電阻（Rrec）、載流子平均壽命（τave）及電容理想因子（CPEP）隨電場的變化規律。

圖6.器件的電容測試結果

a）0V時器件的電壓特性；

b）10kHz、暗態下器件的Mott-Schottky曲線；

c）CPET隨光強的變化規律。

圖7.器件的開路電壓變化原理示意圖

a）溶劑蒸汽處理前後給受體的能級位置示意圖；

b）溶劑蒸汽處理前後薄膜形貌變化示意圖。

【總結&展望】

一方面，此項工作表明即使無定型聚合物也是可以用來製備高性能有機太陽能電池的。另一方面，這項工作為有機太陽能電池中給體材料的設計提供了新的思路。同時，本文也闡明了溶劑蒸汽處理對太陽能電池器件性能影響的原因，有助於進一步優化器件並獲得更高能量轉換效率的有機太陽能電池。

通訊作者簡介：

趙學波，中科院「百人計劃「入選者， 山東省「泰山學者」特聘專家。1986年畢業於遼寧石油化工大學並留校任教。2000年出國留學，2005年獲英國紐卡斯爾大學博士學位並留在該校繼續從事研究工作。留英期間獲「國家優秀自費留學生獎」和英國燃燒工程協會傑出研究成就獎「The Derek Ezra Award 2004」。2010年入選中國科學院「百人計劃」，任中科院青島生物能源與過程研究所研究員、「儲氫及新型納孔材料」團隊負責人。2014年轉入中國石油大學（華東）非常規油氣與新能源研究院工作，任教授委員會主任、博士生導師、「新能源科學與技術研究中心」主任，2015年當選山東省「泰山學者特聘專家」。他負責的研究中心現在主要從事新型金屬有機框架材料、新型碳材料的製備及其在氣體分離與存儲、新型電極材料、儲能材料、石油加工催化材料等方面的應用研發工作。近年來，在Science、Nature-Chemistry、JACS、Angew、AFM、Nano Energy、CM、CC、JMC、Carbon、JPC、ACS Appl. Mater. Interfaces等國際著名學術期刊發表100多篇研究論文, 被國內外同行引用4000多次，以第一作者發表在Science上的論文單篇引用1000多次。

團隊近期成果：

Liting Yan, Lei Cao, Pengcheng Dai, Xin Gu, Dandan Liu, Liangjun Li, Ying Wang, Xuebo Zhao*. Metal‐Organic Frameworks Derived Nanotube of Nickel–Cobalt Bimetal Phosphides as Highly Efficient Electrocatalysts for Overall Water Splitting. Advanced Functional Materials, 2017. DOI: 10.1002/adfm.201703455

BiaoXiao, Minli Zhang, Jun Yan, Guoping Luo, Ke Gao, Jiyan Liu, Qingliang You, Hong-Bo Wang, Chao Gao, Baofeng Zhao, Xuebo Zhao*, Hongbin Wu, Feng Liu. High efficiency organic solar cells based on amorphous electron-donating polymer and modified fullerene acceptor. Nano Energy, 2017, 39: 478-488.

Liting Yan, Pengcheng Dai, Ying Wang, Xin Gu, Liangjun Li, Lei Cao, Xuebo Zhao*. In Situ Synthesis Strategy for Hierarchically Porous Ni2P Polyhedrons from MOFs Templates with Enhanced Electrochemical Properties for Hydrogen Evolution. ACS Applied Materials & Interfaces 9.13 (2017): 11642-11650.

Liangjun Li, Pengcheng Dai, Xin Gu, Ying Wang, Liting Yan, Xuebo Zhao*. High oxygen reduction activity on a metal–organic framework derived carbon combined with high degree of graphitization and pyridinic-N dopants. Journal of Materials Chemistry A 5.2 (2017): 789-795.

Xin Gu, Liangjun Li, Ying Wang, Pengcheng Dai, Hongbo Wang, Xuebo Zhao*. Hierarchical tubular structures constructed from rutile TiO2nanorods with superior sodium storage properties. Electrochimica Acta, 2016, 211: 77-82.

本文由趙學波老師團隊投稿，材料人新能源組 背逆時光 整理編輯。

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