有機(jī)太陽能電池?？?/h1>

2023-10-10 03:16:46李永舫,陳紅征,朱曉張等

高等學(xué)?；瘜W(xué)學(xué)報(bào)訂閱 2023年9期 收藏

關(guān)鍵詞：合作者器件形貌

有機(jī)太陽能電池?？?/p>

面對(duì)即將到來的化石能源危機(jī)，發(fā)展可再生能源技術(shù)是最直接有效的應(yīng)對(duì)途徑。當(dāng)前，光伏發(fā)電是代表性的綠色可持續(xù)能源技術(shù)。隨著技術(shù)的進(jìn)步和升級(jí)，作為第三代光伏技術(shù)的代表之一，有機(jī)太陽能電池以其制造簡(jiǎn)單、靈活性強(qiáng)、重量輕及帶隙可調(diào)等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)受到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。經(jīng)過多年的發(fā)展，有機(jī)太陽能電池單結(jié)器件的能量轉(zhuǎn)換效率已接近20%，而串聯(lián)結(jié)構(gòu)的能量轉(zhuǎn)換效率已超過20%，已經(jīng)在光伏建筑一體化、可穿戴便攜式設(shè)備、新能源汽車及物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景?；谟袡C(jī)太陽能電池蓬勃發(fā)展的態(tài)勢(shì)和應(yīng)用投產(chǎn)的功能需求，我們策劃組織了本期“有機(jī)太陽能電池”專輯，共包含7篇綜合評(píng)述和13篇研究論文，系統(tǒng)介紹了有機(jī)太陽能電池在材料設(shè)計(jì)與合成、性能表征與機(jī)理、器件結(jié)構(gòu)與工藝以及應(yīng)用需求與拓展等方面的研究進(jìn)展，力求全面、客觀、準(zhǔn)確、前沿地為各領(lǐng)域內(nèi)讀者呈現(xiàn)有機(jī)太陽能電池研究領(lǐng)域的最新進(jìn)展和發(fā)展方向。

在當(dāng)前有機(jī)太陽能電池發(fā)展階段，材料結(jié)構(gòu)與合成策略的設(shè)計(jì)仍然是該領(lǐng)域的研發(fā)基礎(chǔ)。中國(guó)科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院肖澤云研究員、北京化工大學(xué)譚占鰲教授、北京化工大學(xué)劉瑤教授與他們的合作者分別就基于苯并二噻吩(BDT)及其衍生物的小分子給體、金屬配合物、電活性紫羅烯在有機(jī)太陽能領(lǐng)域的研究進(jìn)展進(jìn)行了系統(tǒng)的回顧與展望。材料結(jié)構(gòu)與有機(jī)太陽能電池光電性能具有密不可分的關(guān)系，新型材料的開發(fā)仍然是提升性能的關(guān)鍵。蘭州大學(xué)張浩力教授及其合作者設(shè)計(jì)合成了作為三元電池第三組分的高結(jié)晶型寬帶隙新型給體材料DRDTBT; 北京科技大學(xué)張少青副教授及其合作者設(shè)計(jì)合成了受體1-受體2(A1-A2)型結(jié)構(gòu)的新型共軛聚合物給體PDTz-BDD; 中國(guó)科學(xué)院納米系統(tǒng)與多級(jí)次制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室呂琨研究員及其合作者基于Y6分子開發(fā)了一種具有高LUMO 能級(jí)的“Z”分子構(gòu)型受體ZNT; 天津大學(xué)費(fèi)竹平教授及其合作者設(shè)計(jì)合成了新型芳環(huán)取代的酰亞胺結(jié)構(gòu)的端基，并將其用于制備A-DA′D-A 型受體分子; 內(nèi)蒙古師范大學(xué)詹傳郎教授及其合作者基于苯并三氮唑稠環(huán)單元設(shè)計(jì)合成了p-型聚合物并通過骨架噻吩和硒吩策略實(shí)現(xiàn)了對(duì)聚合物吸收及帶隙的精細(xì)調(diào)控。這些新型分子結(jié)構(gòu)的開發(fā)不僅為討論器件性能提升途徑提供了材料基礎(chǔ)，同時(shí)也為高性能材料的探索拓展了設(shè)計(jì)方向。

隨著對(duì)有機(jī)太陽能電池性能機(jī)理的深入探究，分子聚集態(tài)對(duì)于光吸收、激子解離和電荷傳輸?shù)裙怆娹D(zhuǎn)換過程的決定作用得到了認(rèn)識(shí)。武漢理工大學(xué)王濤教授及其合作者對(duì)有機(jī)太陽能電池非富勒烯電子受體材料在分子及微納尺度下的多級(jí)聚集體形態(tài)進(jìn)行了全面的介紹，并對(duì)未來高性能非富勒烯電子受體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和聚集調(diào)控進(jìn)行了總結(jié)和展望。基于此，調(diào)控分子聚集態(tài)成為提升有機(jī)太陽能電池性能的有效手段。南開大學(xué)陳永勝教授及其合作者通過調(diào)控烷基鏈取代位置控制分子的聚集趨勢(shì)來精細(xì)調(diào)控活性層的形貌; 華南理工大學(xué)黃飛教授及其合作者通過將不同烷基側(cè)鏈引入至BTI 單元調(diào)控聚集形貌以獲得更高的能量轉(zhuǎn)換效率; 武漢大學(xué)陳興國(guó)教授及其合作者通過相同共軛骨架中不同位點(diǎn)引入不同側(cè)鏈，對(duì)相應(yīng)小分子非富勒烯受體的結(jié)晶聚集態(tài)進(jìn)行調(diào)控;華南理工大學(xué)解增旗教授及其合作者通過定位末端烷基鏈分叉位置對(duì)PBI 線性二聯(lián)體的堆積模式進(jìn)行控制，發(fā)現(xiàn)需要盡量減少活性層中的多種聚集結(jié)構(gòu)共存以免引起激子解離受限以及載流子傳輸遲滯; 華南理工大學(xué)彭小彬教授及其合作者將IDIC 分子引入三元太陽能電池體系，優(yōu)化了共混膜的形貌, 調(diào)整了分子取向，提升了器件性能。這些研究展現(xiàn)了多種調(diào)控有機(jī)太陽能電池的聚集態(tài)的途徑，從多個(gè)角度探討了分子聚集態(tài)對(duì)器件性能的影響，為高性能材料的設(shè)計(jì)提供了有益的參考。

有機(jī)太陽能電池效率與器件形貌息息相關(guān)，而除了受到分子聚集狀態(tài)的影響外，器件形貌也可以通過制備工藝進(jìn)行控制。天津大學(xué)葉龍教授及其合作者評(píng)述了高效率有機(jī)光伏活性層薄膜的力學(xué)性能調(diào)整策略, 并概述了其力學(xué)性能的理論預(yù)測(cè)模型，并對(duì)有機(jī)光電薄膜未來的研究趨勢(shì)進(jìn)行了展望; 江西師范大學(xué)陳義旺教授及其合作者發(fā)現(xiàn)利用相容性差異以及順序沉積工藝可以有效調(diào)控薄膜活性層的相分離形貌; 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)張弘副研究員及其合作者將β-丙氨酸作為有機(jī)太陽能電池雙重修飾添加劑改善修飾后器件的載流子遷移率; 蘇州大學(xué)崔超華教授及其合作者則通過溶劑添加劑1-氯萘和二硫化碳溶劑退火協(xié)同優(yōu)化了基于窄帶隙小分子受體的厚膜活性層形貌,揭示了該策略對(duì)共混膜形貌的調(diào)控機(jī)理, 研究了其對(duì)活性層中的載流子動(dòng)力學(xué)以及器件光伏性能的影響; 常州大學(xué)宋欣副教授及其合作者系統(tǒng)總結(jié)了非鹵素及鹵素型揮發(fā)固體添加劑調(diào)控有機(jī)太陽能電池形貌和光伏性能的研究現(xiàn)狀，深入討論了揮發(fā)固體添加劑優(yōu)化活性層形貌的不同機(jī)理,包括分子間吸附能、給體與受體的相互作用、晶體成核和生長(zhǎng), 分析了揮發(fā)固體添加劑策略所面臨的挑戰(zhàn)和未來的發(fā)展趨勢(shì)。

為了實(shí)現(xiàn)應(yīng)用需求，半透明有機(jī)太陽能電池是最具前景的新能源技術(shù)。然而，半透明電池的能量轉(zhuǎn)換效率和平均可見光透過率的均衡調(diào)諧仍是一個(gè)問題。理想的高性能半透明有機(jī)太陽能電池，需要在選擇性吸收和利用非可見光譜的光子轉(zhuǎn)換為電能的同時(shí)，透過可見光譜區(qū)域光子實(shí)現(xiàn)透光，并保持良好的審美觀感和顏色純度。浙江大學(xué)陳紅征教授及其合作者從活性層調(diào)控策略、器件工程和多功能等多個(gè)角度，討論和總結(jié)了實(shí)現(xiàn)高性能半透明有機(jī)太陽能電池的途徑，為推進(jìn)這一具有前景的能源技術(shù)的研究和發(fā)展提供有益的參考和建議; 中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所朱曉張研究員及其合作者分別從半透明器件的理論模型、活性層材料設(shè)計(jì)和器件光學(xué)修飾等角度綜合評(píng)述了近期半透明有機(jī)光伏的重要進(jìn)展, 為未來器件性能的優(yōu)化提供了參考。

我們希望通過本?？癁轭I(lǐng)域內(nèi)科研人員提供學(xué)術(shù)交流和溝通平臺(tái)的同時(shí)，也為領(lǐng)域外讀者提供了全面而深入了解有機(jī)太陽能電池研究的獨(dú)特視角，希望本?？軌蛲苿?dòng)更多的科研人員參與到有機(jī)太陽能電池領(lǐng)域的研究中，進(jìn)一步拓展有機(jī)太陽能電池在各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域的前沿發(fā)展?jié)摿Α?/p>

我們也非常榮幸能作為此專刊的客座編輯與廣大讀者介紹并分享有機(jī)太陽能電池領(lǐng)域的前沿發(fā)展方向以及眾多專家學(xué)者的獨(dú)特見解. 在此，我們特別感謝所有作者、審稿人和《高等學(xué)?；瘜W(xué)學(xué)報(bào)》編輯部的工作人員對(duì)專刊出版做出的重要貢獻(xiàn)!我們非常榮幸能作為此?？目妥庉嬇c廣大讀者分享中國(guó)學(xué)者在有機(jī)太陽能電池領(lǐng)域所取得的最新研究進(jìn)展. 在此，特別感謝所有作者、審稿人和《高等學(xué)?；瘜W(xué)學(xué)報(bào)》編輯部的工作人員對(duì)本?？某霭嫠龀龅闹匾暙I(xiàn)!

客座編輯：李永舫，陳紅征，朱曉張，何鳳

2023年9月

李永舫 1977級(jí)大學(xué)，1982年在華東化工學(xué)院(現(xiàn)華東理工大學(xué))獲碩士學(xué)位，1986年在復(fù)旦大學(xué)獲博士學(xué)位；1986～1988年中科院化學(xué)所博士后；1988年博士后出站后留化學(xué)所工作，1993年晉升研究員. 2012年受聘蘇州大學(xué)材料與化學(xué)化工學(xué)部教授. 曾于1988～1991年到日本分子科學(xué)研究所和1997～1998年到美國(guó)加州大學(xué)圣巴巴拉分校(UCSB)進(jìn)行訪問研究. 2013年當(dāng)選中科院院士. 現(xiàn)任《高分子通報(bào)》主編、《中國(guó)科學(xué) 化學(xué)》副主編. 主要研究方向是聚合物太陽電池光伏材料和器件. 已發(fā)表研究論文900多篇，國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)會(huì)議大會(huì)報(bào)告和邀請(qǐng)報(bào)告140多次. 發(fā)表論文已被SCI他人引用7萬2千余次，h-因子134. 兩度獲國(guó)家自然科學(xué)二等獎(jiǎng)[1995年“導(dǎo)電聚吡咯的研究”(排名第二)和2018年“帶共軛側(cè)鏈的聚合物給體和茚雙加成富勒烯受體光伏材料”(排名第一)]，2005年和2018年分別獲得北京市科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)和二等獎(jiǎng)(均排名第一). 1998年獲人事部授予“中青年有突出貢獻(xiàn)專家”稱號(hào). 入選科睿唯安(Clarivate Analytics)發(fā)布的2014年材料科學(xué)領(lǐng)域以及2015～2022年材料科學(xué)和化學(xué)兩個(gè)領(lǐng)域Highly cited researchers 名單.

陳紅征 1988年浙江大學(xué)本科畢業(yè)，1994年浙江大學(xué)博士畢業(yè)后留校任教，1999年晉升為教授，2011年受聘為浙江大學(xué)求是特聘教授. 先后在香港科技大學(xué)、比利時(shí)Antewerp 大學(xué)和歐洲高校聯(lián)合微電子中心、美國(guó)Stanford 大學(xué)進(jìn)行合作研究. 在Nature Nanotechnology, Adv. Mater.,J. Am. Chem. Soc.等期刊發(fā)表論文574篇，他引24038次，入選科睿唯安高被引科學(xué)家；專著1部；授權(quán)國(guó)家發(fā)明專利60項(xiàng). 兼任美國(guó)化學(xué)會(huì)期刊《ACS Applied Polymer Materials》和中國(guó)化學(xué)會(huì)期刊《高分子通報(bào)》副主編、《Chinese Journal of Polymer Science》和《材料研究學(xué)報(bào)》期刊編委等.

朱曉張 2001年畢業(yè)于吉林大學(xué)化學(xué)系, 獲得學(xué)士學(xué)位，2006年畢業(yè)于中科院化學(xué)所獲得博士學(xué)位，2006年～2012年先后在德國(guó)烏爾姆大學(xué)和日本東京大學(xué)從事博士后研究，2012年回國(guó)加入化學(xué)所有機(jī)固體院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，任研究員，2015年起兼任中國(guó)科學(xué)院大學(xué)崗位教授，現(xiàn)為德國(guó)Thieme 出版社Organic Materials 雜志副主編、高等學(xué)?；瘜W(xué)學(xué)報(bào)青年編委. 曾獲得中國(guó)科學(xué)院“優(yōu)秀畢業(yè)生”榮譽(yù)稱號(hào)、德國(guó)洪堡獎(jiǎng)學(xué)金、日本學(xué)術(shù)振興會(huì)獎(jiǎng)學(xué)金、日本化學(xué)會(huì)“The Distinguished Lectureship Award”，入選中組部青年千人計(jì)劃，獲得基金委國(guó)家杰出青年科學(xué)基金資助. 主要從事有機(jī)光電功能材料與器件研究，針對(duì)傳統(tǒng)共軛擴(kuò)展設(shè)計(jì)和推拉電子設(shè)計(jì)在光電性能上的局限性，提出了結(jié)合芳香和醌式共振各自優(yōu)勢(shì)的材料設(shè)計(jì)新思路，發(fā)展了擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、可應(yīng)用于光伏、熱電、發(fā)光和光探測(cè)等領(lǐng)域的醌型有機(jī)光電材料新體系，構(gòu)筑了高性能有機(jī)光電功能器件. 自開展獨(dú)立研究以來，作為通訊作者發(fā)表SCI 論文100余篇，包括Nat.Energy，Acc. Chem. Res.，Chem. Soc. Rew., Adv. Mater.，Chem.，J. Am. Chem. Soc.，Angew.Chem. Int. Ed., CCS Chem.等，全部論文總引用近6000余次，其中2篇論文被ESI 收錄為熱點(diǎn)論文，12篇論文被ESI 收錄為高被引用論文，授權(quán)中國(guó)發(fā)明專利11項(xiàng).

何鳳 南方科技大學(xué)化學(xué)系教授，國(guó)家杰出青年基金獲得者. 于2002年和2007年畢業(yè)于吉林大學(xué)并獲學(xué)士和博士學(xué)位，師從馬於光教授；其后先后加入加拿大多倫多大學(xué)Mitchell A. Winnik 教授、英國(guó)布里斯托爾大學(xué)Ian Manners 教授和美國(guó)芝加哥大學(xué)Luping Yu 教授研究團(tuán)隊(duì)從事博士后研究；2012年起，作為高級(jí)研究員先后加入美國(guó)Nano-C, Inc.公司和美國(guó)Polyera Corp.公司進(jìn)行研發(fā)工作. 2014年加入南方科技大學(xué)開展教學(xué)和研究工作，主要圍繞有機(jī)功能材料分子間非共價(jià)相互作用調(diào)控研究，并在有機(jī)光伏材料和聚合物二維三維自組裝微納材料等方向拓展了其應(yīng)用，在Joule, J. Am. Chem. Soc., Nat. Commun., Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Edit.以及CCS Chem.等國(guó)際頂尖專業(yè)雜志上已發(fā)表論文超過160篇，并授權(quán)多項(xiàng)美國(guó)和中國(guó)發(fā)明專利. 曾入選國(guó)家特聘專家（青年)項(xiàng)目，2019年獲得中國(guó)化學(xué)會(huì)氯元素代言青年科學(xué)家.

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