黄飞/李宁教授团队在Nature Energy报道有机太阳电池材料设计新思路

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近日，华南理工大学材料科学与工程学院/发光材料与器件国家重点实验室李宁教授和黄飞教授的最新研究成果以“Organic solar cells using oligomer acceptors for improved stability and efficiency”为题在Nature Energy上发表。该工作通过合成具有确定化学结构的齐聚物受体，调控有机光电材料的热力学性能和分子堆积行为，构筑了兼具高效率和优秀稳定性的有机太阳电池。
        基于Y系列小分子受体的有机太阳电池已取得超过19%的光电转换效率，但该类材料较低的热转变温度使得活性层的微观形貌在光照或者受热时不稳定，致使相应器件的稳定性受到较大影响，是有机太阳电池实现商业化应用的最大瓶颈之一。将小分子受体聚合物化的策略确实可以提升活性层微观形貌的热稳定性，但该类聚合物受体的性能对分子量分布和聚合批次具有较强的依赖性，不利于大规模生产和应用。

(a)小分子，齐聚物和聚合物的化学结构式；OY1，OY3和POY的吸收光谱(b)和发射光谱(c)，蓝点为实验结果，黑线为拟合数据；(d)基于PBDB-T: OY3的器件在光照1000小时后光电转换效率的变化；(e)本工作的光电转换效率和T80使用寿命与其它体系的对比。

          在本工作中研究者通过一锅法合成了Y系列的齐聚物受体，纯化后分别得到具有确定化学结构的二、三、四聚体，研究结果表明该类材料的结构单元数对材料的光物理性能和器件的效率几乎没有影响。但经过深入研究，发现齐聚物受体具有更高的冷结晶温度和更紧密的分子堆积特性，有利于在活性层中形成稳定的微观形貌，在继承小分子和聚合物受体优异光电性能的同时也克服了两者各自的缺点。经过器件光稳定性的测试，基于三聚体OY3的有机太阳电池在光照下工作1000小时后仍能保持超过90%的初始效率，经过外推计算得到超过25000小时的T80稳定性，相当于可以在广州使用超过16年。该结果是在本领域中报道的第一个兼具高效率（>15%）和高使用寿命（>15年）的有机太阳电池，为该领域实现商业化应用提出了全新的分子设计思路。
          该论文第一作者为华南理工大学材料科学与工程学院的博士生梁佑才和张荻非，通讯作者为华南理工大学的李宁教授和黄飞教授，其它合作作者还包括德国埃尔朗根-纽伦堡大学的Larry Lüer博士和Christoph J. Brabec教授。该项工作受到国家重点研发计划项目、国家自然科学基金委员会区域创新发展联合基金和广东省基础与应用基础研究重大项目，以及华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室和粤港澳光电磁功能材料联合实验室的支持。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41560-022-01155-x


         附：通讯作者简介
        李宁，男，教授、博士生导师，2022年加入华南理工大学材料科学与工程学院/发光材料与器件国家重点实验室。2014至2021年作为课题组长在德国埃尔朗根纽伦堡大学（FAU）带领团队从事科研工作，重点研究新一代可印刷光电器件的新型结构，先进加工技术以及产业化应用；同时注重探索新型光电材料与器件在交叉学科领域的研究与应用，并将其与多种前沿技术相结合，包括高通量自动化、机器学习、数字孪生、模拟和大数据方法等。近年来在《Nature Energy》、《Science》等国际学术期刊上发表了超过150篇论文。荣获多项国内外学术奖励，包括2013年国家优秀自费留学生奖学金，2015年FAU优秀博士毕业生，2017年FAU优秀青年科学家，2017年日本材料学会青年科学家奖，2018年德国年度十佳青年科学家等。
         黄飞，男，教授、博士生导师，国家杰出青年基金获得者，教育部长江学者特聘教授。现任华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室副主任。主要从事有机聚合物光电材料与器件方面的研究，在新型水醇溶界面材料及界面调控方法、新型聚合物光伏材料与器件等方向做出了系列创新成果。曾获教育部首届青年科学奖，美国化学会Arthur K. Doolittle Award奖，两次参与获得国家自然科学二等奖。任高分子学报副主编，Chemistry of Materials、Sci China Chem等刊物编委，中国材料学会高分子分会副秘书长。
         文章来源：华南理工大学