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南科大化學(xué)系本科生鐘筱蔚在知名期刊發(fā)表有機(jī)太陽(yáng)能電池材料研究成果
文章來(lái)源：未知 更新時(shí)間：2019-03-26 15:29:53
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據(jù)悉，近日，南方科技大學(xué)化學(xué)系大四本科生鐘筱蔚作為第一作者在聚合物領(lǐng)域知名期刊Macromolecules（《大分子》）上發(fā)表關(guān)于氯取代給體聚合物太陽(yáng)能電池材料的最新研究成果，論文題為“Synergistic Effect of Chlorination and Selenophene: Achieving Elevated Solar Conversion in Highly Aggregated Systems”。化學(xué)系副教授何鳳為本文通訊作者。
有機(jī)太陽(yáng)電池因其成本低、質(zhì)量輕、有大面積溶液加工前景等優(yōu)點(diǎn)，受到國(guó)際范圍的廣泛關(guān)注。通過(guò)優(yōu)化分子結(jié)構(gòu)來(lái)提升器件性能是許多學(xué)者的研究方向。
圖1. 給體PBT3TClSe 與 受體 PC71BM(富勒烯衍生物)
太陽(yáng)能電池的效率和開(kāi)路電壓與短路電流成正比。在聚合物中引入硒酚單元可以使材料整體結(jié)構(gòu)更加規(guī)整，有結(jié)晶性，但對(duì)應(yīng)材料往往開(kāi)路電壓比較低。已發(fā)表文獻(xiàn)表明，在給體材料引入氯原子可有效提高開(kāi)路電壓。該研究通過(guò)協(xié)同硒酚單元和氯原子取代來(lái)研究形貌和堆積對(duì)太陽(yáng)能電池器件的性能影響，設(shè)計(jì)了聚合物PBT3TClSe和PBT3TSe。
圖2. a）循環(huán)伏安掃描圖 b）能級(jí)圖
LUMO（電子最低未占軌道）與HOMO（電子最高已占軌道）能級(jí)的差值為激發(fā)電子從給體轉(zhuǎn)移到載體所需的能量，和開(kāi)路電壓成正比。器件數(shù)據(jù)表明，氯取代PBT3TClSe分子的HOMO能級(jí)降低，使得開(kāi)路電壓既有一定的提升，同時(shí)也保持著相對(duì)較高的短路電流，從而獲得了較高的光電轉(zhuǎn)換效率。雖然氯取代和硒酚的結(jié)合引起了高度聚集，但因?yàn)槁仍佑形娮拥哪芰Γ芤疠^強(qiáng)的分子間作用，縮短分子間距離，因此二者結(jié)合有利于電荷傳輸，能使器件性能整體得到提升。
分析數(shù)據(jù)顯示，相對(duì)PBT3TSe而言，氯取代的PBT3TClSe和PC71BM缺少明顯的熔點(diǎn)，有更高程度的混合。原子力顯微鏡(AFM)和透射電子顯微鏡(TEM)圖也能直觀地表明PBT3TClSe比起PC71BM有著更強(qiáng)烈的聚集。
圖3. 差示掃描量熱法（DSC）對(duì)聚合物的表征
圖4. 原子力顯微鏡(AFM)圖和透射電子顯微鏡(TEM)圖
左為PBT3TClSe, 右為PBT3TSe
另外，膜的掠入射廣角X射線譜（GIWAXS）顯示，PBT3TSe的結(jié)構(gòu)有著高比例的“面朝上”取向，有利于電荷在電極間傳輸，而PBT3TClSe則相對(duì)沒(méi)有主要的取向，但有著更短的分子距離，同樣利于電荷傳輸，因而保持著較高性能。
圖5. 聚合物混合膜的掠入射廣角X射線譜（GIWAXS）
研究得出結(jié)論，高聚集狀態(tài)的活性層不一定導(dǎo)致器件性能下降，協(xié)同引入氯原子和硒酚可以有效地提高太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。這項(xiàng)成果可能給未來(lái)太陽(yáng)能電池材料的發(fā)展提供新的思路。
何鳳課題組經(jīng)過(guò)過(guò)去多年的不斷努力，堅(jiān)持通過(guò)精準(zhǔn)控制分子弱相互作用調(diào)控材料結(jié)構(gòu)形貌和性能的研究思路，分別通過(guò)氯原子的Cl-S、Cl-π等超分子相互作用調(diào)控有機(jī)光電材料分子的排列方式，構(gòu)筑更加適合有機(jī)太陽(yáng)電池器件的材料體系；同時(shí)利用共軛聚合物的π-π相互作用作為驅(qū)動(dòng)力控制材料在不同維度上的生長(zhǎng)速度，成功制備了二維方塊膠束，并積極探索這些二維材料的電學(xué)行為響應(yīng)。氯原子鹵鍵等非共價(jià)相互作用對(duì)控制有機(jī)分子的排列和形貌具有決定性作用，不但可獲得高度有序的材料體系，同時(shí)相應(yīng)材料性能也可得到大幅提高，例如和本研究相關(guān)的氯取代給體聚合物效率就曾達(dá)到了富勒烯類太陽(yáng)電池的世界一流水平，而且器件穩(wěn)定性也得到了極大改善，引領(lǐng)了有機(jī)太陽(yáng)電池領(lǐng)域?qū)β热〈闹匾暫蛷V泛研究。
談到這項(xiàng)研究和取得的成果，鐘筱蔚表示，實(shí)驗(yàn)和投稿過(guò)程中的所有曲折經(jīng)歷都讓她覺(jué)得彌足珍貴，而這些經(jīng)驗(yàn)將會(huì)助力她未來(lái)出國(guó)進(jìn)修。她感謝南科大化學(xué)系的科研創(chuàng)新項(xiàng)目，讓當(dāng)時(shí)大三的她和其他同學(xué)有機(jī)會(huì)在老師們的幫助下相對(duì)獨(dú)立地完成自己選擇的研究目標(biāo)。
該項(xiàng)研究得到國(guó)家自然基金委、深圳市科創(chuàng)委基礎(chǔ)研究學(xué)科布局項(xiàng)目、南科大啟動(dòng)經(jīng)費(fèi)與深圳格拉布斯研究院經(jīng)費(fèi)的支持。美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室陳偉教授提供了同步輻射測(cè)試合作。 |
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