北理工團(tuán)隊(duì)在硒取代有機(jī)太陽能電池受體材料方面取得重要進(jìn)展
發(fā)布日期：2024-01-30 供稿：化學(xué)與化工學(xué)院 攝影：化學(xué)與化工學(xué)院
編輯：田柳 審核：王振華 閱讀次數(shù)：
近期,，北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院王金亮教授團(tuán)隊(duì)在新型硒取代位置異構(gòu)化的小分子受體材料創(chuàng)制及其在高性能有機(jī)太陽能電池器件化應(yīng)用方面取得重要進(jìn)展。相關(guān)成果以“Optimized Crystal Framework by Asymmetric Core Isomerization in Selenium-Substituted Acceptor for Efficient Binary Organic Solar Cells”為題,，發(fā)表在化學(xué)領(lǐng)域國(guó)際頂級(jí)期刊《Angewandte Chemie International Edition》(2023, 62, e202313016)上,。北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院王金亮教授、安橋石特別研究員,、國(guó)家納米中心魏志祥研究員和鄧丹研究員為共同通訊作者,，北京理工大學(xué)為第一通訊單位，化學(xué)與化工學(xué)院博士研究生楊燦為該論文的第一作者,。
面對(duì)全球能源危機(jī)和環(huán)境污染問題,，為加快實(shí)現(xiàn)國(guó)家提出的“雙碳”目標(biāo)，一場(chǎng)針對(duì)新型清潔能源開發(fā)與利用的革命正在緊鑼密鼓地孕育當(dāng)中,。有機(jī)太陽能電池（OSCs）因其自身具有良好的溶液加工性,、機(jī)械柔性、透明,、質(zhì)輕,、易于卷對(duì)卷印刷和規(guī)模化制備等特性而備受關(guān)注,，并在柔性可穿戴電子器件,、室內(nèi)光伏和建筑集成一體化領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的商業(yè)應(yīng)用潛力。其中開發(fā)新型小分子受體（SMAs）材料是獲得高性能OSCs的最有效途徑之一,。從分子工程設(shè)計(jì)的角度來看,，SMAs性能優(yōu)化可以通過有效的調(diào)控分子的給電子中心核,、缺電子端基和烷基側(cè)鏈等策略來實(shí)現(xiàn)。其中含硒芳香雜環(huán)的引入是一種有效的分子設(shè)計(jì)策略,，可以協(xié)同優(yōu)化小分子的光電特性并在各種類型的OSCs中提高器件性能,。然而，與許多含硫雜環(huán)的受體相比,，硒取代的SMAs的系統(tǒng)研究相對(duì)匱乏,。同時(shí)，如何利用分子工程來精確調(diào)節(jié)硒取代受體材料的電子結(jié)構(gòu)和晶體堆積,，進(jìn)而優(yōu)化薄膜形態(tài),，實(shí)現(xiàn)器件性能參數(shù)之間的最佳平衡點(diǎn)，發(fā)展性能優(yōu)異的受體材料,，是目前有機(jī)太陽能電池領(lǐng)域亟待解決的關(guān)鍵科學(xué)問題之一,。
圖1. 三個(gè)硒取代異構(gòu)受體的分子結(jié)構(gòu)、晶體堆積,、器件效率及其設(shè)計(jì)策略
針對(duì)上述的關(guān)鍵科學(xué)問題,，王金亮教授團(tuán)隊(duì)在前期重原子取代的有機(jī)小分子太陽能電池材料的創(chuàng)制及其在高性能有機(jī)太陽能電池中的應(yīng)用研究工作(Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 19241, ESI高被引論文; Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202216340; Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, e202209454; Energy Environ. Sci., 2022, 15, 320; ACS Energy Lett., 2018, 3, 2967等)的基礎(chǔ)上，為了實(shí)現(xiàn)更加性能優(yōu)異的硒取代小分子受體材料體系,，最近通過運(yùn)用一種核心單硒取代類型和位置（中心位置,、內(nèi)側(cè)位置和最外側(cè)位置）的區(qū)域異構(gòu)化策略，設(shè)計(jì)合成了一系列單硒取代的新型異構(gòu)化小分子受體材料（S- C SeF,、A- I SeF和A- O SeF）,，其具有相同的缺電子端基和烷基側(cè)鏈基團(tuán)，但具有三個(gè)不同硒原子取代環(huán)境的異構(gòu)化的中心核（DA’’D,、D2A’D和D1A’D）,。系統(tǒng)地探討了三種（對(duì)稱/不對(duì)稱）區(qū)域異構(gòu)體的光電行為、分子間堆積的單晶結(jié)構(gòu),、與新型聚合物給體PM1的共混形態(tài)以及對(duì)相應(yīng)OSCs的光伏性能和能量損失的影響,。
圖2. 三個(gè)硒取代異構(gòu)受體材料的晶體堆積圖
單晶堆積圖顯示，相比于S- C SeF和A- I SeF,，基于最外側(cè)硒取代核心的不對(duì)稱A- O SeF由于額外的分子內(nèi)Se-O和分子間F-Se非共價(jià)作用的存在,，呈現(xiàn)出了平面性更強(qiáng)的分子骨架、更緊密更有序的3D網(wǎng)絡(luò)堆積,，促進(jìn)了更高效的電子傳輸通道的形成,。從S- C SeF到A- I SeF, 再到A- O SeF，隨著單硒原子取代位置的外移,，相應(yīng)純膜的光學(xué)帶隙逐漸變寬,、結(jié)晶性逐漸增強(qiáng),、電子遷移率逐漸增大,。將其分別和商品化聚合物給體PM1共混后,，基于A- O SeF的二元電池光電能量轉(zhuǎn)換效率高達(dá)18.5%，明顯高于基于A- I SeF（17.6%）和S- C SeF（16.3%）的器件結(jié)果,。其性能的提升主要?dú)w因于A- O SeF抬升的LUMO能級(jí)以及最優(yōu)的納米纖維共混形貌和分子堆積,，進(jìn)而促進(jìn)了更有效的激子產(chǎn)生和收集以及顯著抑制了能量損失。值得一提的是,，18.5%的光電能量轉(zhuǎn)換效率是報(bào)道時(shí)基于硒取代小分子受體二元本體異質(zhì)結(jié)型有機(jī)太陽能電池的效率記錄值,。綜上，這項(xiàng)系統(tǒng)性的工作不僅證明了SMAs中硒取代位置和硒雜芳環(huán)類型的調(diào)控在優(yōu)化晶體堆積行為和促進(jìn)硒取代受體高效率和低能量損失平衡中的協(xié)同作用和重要性,，而且對(duì)未來發(fā)展高性能的SMAs的協(xié)同設(shè)計(jì)原則提供了新的見解,。
圖3. 三個(gè)硒取代受體材料的有機(jī)太陽能電池器件性能對(duì)比
上述研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、國(guó)家海外高層次青年人才項(xiàng)目,、北京理工大學(xué)特立青年學(xué)者計(jì)劃,、北京理工大學(xué)研究生科研水平和創(chuàng)新能力提升專項(xiàng)計(jì)劃等項(xiàng)目以及北京市光電轉(zhuǎn)換材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和北京理工大學(xué)分析測(cè)試中心的支持。韓國(guó)高麗大學(xué)的Han Young Woo教授,、北京工商大學(xué)李熊教授團(tuán)隊(duì),、中科院化學(xué)所朱曉張研究員團(tuán)隊(duì)給予了大力支持。
文章鏈接：https://doi.org/10.1002/anie.202313016
附作者簡(jiǎn)介：
王金亮,，化學(xué)與化工學(xué)院教授,、博士生導(dǎo)師。2008年博士畢業(yè)于北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院,，2013年入選國(guó)家海外高層次青年人才計(jì)劃,，2021年成為中國(guó)化學(xué)會(huì)高級(jí)會(huì)員。主要從事有機(jī)與高分子光電能量轉(zhuǎn)換材料創(chuàng)制及其在高性能有機(jī)太陽能電池中的應(yīng)用研究,。至今在J. Am. Chem. Soc.等國(guó)際高水平學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表SCI論文100余篇,，總被引用7000余次。2016年被評(píng)為北理工優(yōu)秀碩士學(xué)位論文指導(dǎo)教師,，2021年被評(píng)為北京市優(yōu)秀本科畢業(yè)論文指導(dǎo)教師,。目前擔(dān)任《SusMat》《Battery Energy》和《EcoEnergy》青年編委和北理工英文學(xué)報(bào)編委。
安橋石,，北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院特別研究員,、博士生導(dǎo)師。2020年4月加入北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院,，主要從事有機(jī)光電子材料與器件方面的工作,。迄今以第一/通訊作者身份在Energy Environ. Sci.; Angew. Chem., Int. Ed.; ACS Energy Lett.等國(guó)際高水平期刊上發(fā)表SCI論文40余篇，論文共計(jì)被引7000余次,，主持國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目,，入選科睿唯安全球高被引科學(xué)家。
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