曹鏞院士團隊最新研究成果集錦

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曹鏞,1941年10月生,湖南長沙人。中國科學院院士,發展中國傢科學院院士,英皇傢化學會會士、973計劃首席科學傢、曾任華南理工大學發光材料與器件國傢重點實驗室主任,高分子光電材料與器件研究所所長,有機光電領域世界著名的科學傢。

  • 1965年畢業於原蘇聯列寧格勒大學化學系高分子專業,化學學士。
  • 1979至1981年在日本東京大學化學系物理化學專業進修
  • 1987年獲東京大學理學博士。
  • 1988年獲國傢科委授予“有突出貢獻的優秀中青年科技專傢”稱號。
  • 1988年至1990年,任美國加州大學聖巴巴拉分校高分子及有機固體研究所資深研究員。
  • 1990年至1998年,任美國加州聖巴巴拉UNIAX公司資深研究員。
  • 1998年至今任華南理工大學材料學院教授、博士生導師。主要從事導電聚合物的結構與性能關系及發光材料與器件研究,例如驅動基板、發光器件集成等等。提出“對陰離子誘導加工性”的新概念,解決瞭導電高分子的高導電性與加工性不能同時並存的難題;首次成功地研制出可彎曲的大面積塑料片基發光二極管;在國際上首次表明在聚合物電致發光二極管中電熒光量子效率有可能25%的量子統計規則,推動瞭聚合物電致發光二極管的發展。在NatureNature PhotonicsAdvanced MaterialsJournal of the American Chemical Society等SCI主流學術期刊發表研究論文600餘篇,他引超過30000次。
  • 1988年獲國傢科委授予有突出貢獻的中青年科學傢稱號,
  • 1988年及2010年分別獲得國傢自然科學二等獎2項、
  • 2009年獲廣東省科學進步獎一等獎、
  • 2014年獲教育部高等學校科學研究優秀成果一等獎,
  • 2015年獲國傢自然科學二等獎,
  • 2015年獲廣東省科學技術突出貢獻獎。

值得一提的是,曹鏞院士在OLED、有機/聚合物太陽電池領域等領域取得一系列國際先進研究成果的同時,同時也致力於有機光電材料與器件領域在產業化應用,為國傢培養瞭一大批有高度創新能力的科研型拔尖人才和應用型創新人才。

下面,我們來關註一下國內有機/高分子光電功能材料與器件領域的開創者之一—曹鏞院士團隊在2019年的研究進展。粗略統計瞭一下,曹鏞院士及合作者在共發表瞭62篇文章。這些文章主要集中有機/聚合物太陽能電池鈣鈦礦電池/發光領域。按照Web of Sciences檢索結果為準,以下文章均為領域中的高被引論文 (8篇次)、領域中的熱點論文 (2篇次)。

2019年部分研究進展

1.《Adv. Mater》效率12%以上,有序多尺度非富勒烯小分子有機太陽能電池|領域中的高被引論文和熱點論文

華南理工大學曹鏞院士彭小彬教授團隊、聯合華南師范大學輦理教授上海交通大學劉烽教授香港城市大學的Alex K.-Y. Jen教授等人將兩個近紅外吸收分子成功地結合到非富勒烯基小分子有機太陽能電池(NFSM-OSCs)中,實現瞭12.08%的非常高的功率轉換效率(PCE)。這是通過混合溶劑添加劑和溶劑蒸汽退火來實現的,主要工作是分別為ZnP-TBO和6TIC調整有序演化的結晶形態。這樣不僅可以提高ZnP-TBO和6TIC共混物的結晶度,而且可以形成多尺度形貌,增強電荷遷移率和電荷萃取。同時通過有效電荷離域減少瞭非填充復合。結果表明,器件性能顯著提高填充因子和短路電流。這些導致瞭一個非常可觀的PCE,這是目前為止,NFSM-OSCs和所有的小分子二元太陽能電池最高的報道。相關研究以“Over 12% Effciency Nonfullerene All-Small-Molecule Organic Solar Cells with Sequentially Evolved Multilength Scale Morphologies”為題目,發表在Adv. Mater上。

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2.《Energy Environ. Sci.》全聚合物太陽能電池通用的綠色溶劑,提高功率轉換效率到11%|領域中的高被引論文

有機光伏技術的進步一直與對本體異質結(BHJ)微觀結構形態的深入理解緊密相關,這通常是由基於單一溶劑或溶劑混合物的塗覆配方控制的。全聚合物太陽能電池(all-polymer solar cells, all-PSCs)進展相對緩慢,主要是由於其復雜的BHJ形態難以掌握,難以處理聚合物鏈的糾纏,其性能一般限制在8-10%。在這項工作中,華南理工大學曹鏞院士應磊教授黃飛教授聯合愛爾蘭根-紐倫堡大學李寧教授等人證明瞭通過使用基於環戊基甲基醚的綠色溶劑體系對BHJ形態進行操作,all-PSCs 的性能可以進一步發展到基準值11%。優越的墨水配方在四種不同的全聚合物太陽能電池上的通用適用性得到瞭成功的驗證,顯示瞭將all-PSCs推向工業生產和商業化的巨大前景。相關研究以“A generic green solvent concept boosting the power conversion efficiency of all-polymer solar cells to 11%”為題目,發表在Energy Environ. Sci.上。

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3.《Joule》單結有機太陽能電池能量轉換效率新紀錄突破15%|領域中的高被引論文和熱點論文

有機太陽能電池是一種將太陽能轉換為電能的新型電子器件,評價其性能的主要參數是能量轉換效率。高效率有機太陽能電池仍然是目前研究的首要目標,也是其實現產業化的關鍵。中南大學鄒應萍教授課題組將電子受體單元苯並三氮唑引入非富勒烯受體稠環的中心核,形成一種DAD稠環結構,他們通過引入具有高遷移率的缺電子單元苯並噻二唑來替代稠環中心的苯並三氮唑、用並噻吩取代稠環末端的噻吩來調控目標分子的電子遷移率和進一步增強和拓寬材料的吸收光譜。這樣得到的非富勒烯受體Y6具有較強的吸收和較窄的帶隙(1.33 eV)以及優異的電子遷移率,制備瞭能量轉換效率突破15%的單結有機太陽能電池器件,為已報道單結有機太陽能電池效率的世界最高紀錄。該論文通訊作者為中南大學化學化工學院鄒應萍教授。合作者還包括中國科學院化學研究所李永舫院士團隊(正向器件制備及表征),華南理工大學曹鏞院士葉軒立教授團隊(反向器件制備及表征)香港中文大學路新慧教授(薄膜形貌測試)拉瓦爾大學Mario Leclerc教授(分子計算)等。相關研究於2019年1月17日在Cell Press旗下的能源旗艦期刊《焦耳》(Joule)上發表,題為:Single-Junction Organic Solar Cell with over 15% Efficiency Using Fused-Ring Acceptor with Electron-Deficient Core。

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4.《Adv. Mater》雙界面協同作用助力高效CsPbI2Br鈣鈦礦太陽能電池|領域中的高被引論文

華南理工大學曹鏞院士葉軒立教授薛啟帆副研究員團隊通過應用氨基官能化聚合物(PN4N)作為陰極界面層和不含摻雜劑的空穴傳輸聚合物(PDCBT)作為陽極界面層,制備瞭光穩定性能優異的的無機混合鹵化物鈣鈦礦太陽能電池(PVSC)。研究人員首先在陰極界面處形成界面偶極子降低SnO2的功函,而具有更深HOMO能級的PDCBT在陽極處提供瞭更好的能級匹配,導致PVSC開路電壓(Voc)的顯著增強。其次,PN4N層還可以調節表面潤濕性,促進高質量全無機鈣鈦礦薄膜的生長。理論和實驗結果均表明PN4N和PDCBT可以與鈣鈦礦晶體發生強烈地相互作用,有效地鈍化電子表面陷阱態並抑制CsPbI2Br薄膜的光誘導的鹵化物分離。因此,優化的CsPbI2Br PVSC表現出降低的界面重組效率,效率超過16%,這是所有無機PVSC報道中的最高效率之一。雙界面改性的CsPbI2Br PVSC在連續1太陽等效照射下持續400小時,效率隻下降瞭10%,具有優異的光穩定性。相關研究以“Dual Interfacial Design for Efficient CsPbI2Br Perovskite Solar Cells with Improved Photostability”為題目,發表在Adv. Mater上。

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5.《Nat. Commun》效率超過5%的準二維藍色鈣鈦礦發光二極管的復合區域調制|領域中的高被引論文

近年來,鈣鈦礦發光二極管的近紅外、紅、綠三色發射和20%以上的外部量子效率的研究取得瞭實質性進展。然而,藍發射的鈣鈦礦發光二極管的發展仍然是一個巨大的挑戰,它阻礙瞭基於鈣鈦礦發射材料的全彩顯示器和白光照明的進一步發展。在此,華南理工大學曹鏞院士葉軒立教授團隊首先通過成分和尺寸工程,利用阱密度降低和光致發光量子產率提高的優勢,制備瞭藍發射增強的準二維鈣鈦礦薄膜。其次,發現在PEDOT:PSS/鈣鈦礦雜化膜中鈣鈦礦晶體的垂直非均勻分佈。通過調節復合帶的位置,激活大部分準2D鈣鈦礦晶體,從而證明是迄今最有效的藍色鈣鈦礦發光二極管,發射峰在480 nm,亮度3780  cd m−2,外部量子效率為5.7%。相關研究以“Modulation of recombination zone position for quasi-two-dimensional blue perovskite light-emitting diodes with efficiency exceeding 5%”為題目,發表在Nat. Commun上。

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圖4. 鈣鈦礦薄膜的垂直形貌及復合區域調制示意圖

6.《AEM》基於新型高效寬帶隙非富勒烯受體且能量損失低的15%效率串聯有機太陽能電池|領域中的高被引論文

串聯有機太陽能電池(OSC)是擴大光子響應范圍並抑制傳輸損耗和熱損耗的有效結構。在過去的幾年中,低能隙材料在長波長區域具有廣泛的吸收能力,用於後電池的開發引起瞭人們的廣泛關註。但是,用於前電池的具有高短路電流密度(JSC)和開路電壓(VOC)的寬帶隙材料很少。在這項工作中,華南理工大學曹鏞院士黃飛教授張凱博士報道瞭一種新的氟取代的寬帶隙小分子非富勒烯受體TfIF-4FIC,其光學帶隙為1.61 eV。當選擇PBDB‐T‐2F作為供體時,該器件可提供0.98 V的極高VOC,17.6 mA cm-2的高JSC和13.1%的功率轉換效率。在如此寬的帶隙下,這是表現最佳的受體。更重要的是,這種組合的能量損失為0.63 eV。這些特性確保PBDB‐T‐2F:TfIF‐4FIC是制造串聯OSC的理想選擇。當使用PBDB‐T‐2F:TfIF‐4FIC和PTB7‐Th:PCDTBT:IEICO‐4F作為前排電池和後排電池構建串聯太陽能電池時,獲得的PCE為15%,這是迄今為止在有機太陽能電池領域已有報道最好的結果之一。相關研究以“15% Efficiency Tandem Organic Solar Cell Based on a Novel Highly Efficient Wide-Bandgap Nonfullerene Acceptor with Low Energy Loss”為題目,發表在Adv. Energy Mater.上。

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7.《ACS Energy Lett.》具有雙載流子產生通道和低非輻射衰退復合損耗特征的高效非富勒烯基聚合物太陽電池|領域中的高被引論文

有效的電荷產生是在有機/聚合物太陽能電池(OSC / PSC)中實現高功率轉換效率(PCE)的先決條件,這涉及光激發時光誘導的電子轉移和/或供體/受體界面之間的空穴轉移。這兩個過程中電荷的高收率通常都需要在供體和受體之間進行足夠的能量補償,以進行電荷分離,快速運輸和提取以收集電荷,並需要進行顯著的吸收互補以最大程度地獲取光子。在這裡,華南理工大學曹鏞院士吳宏濱教授何志才教授、聯合西安近代化學研究所高潮研究員、南方科技大學梁永曄教授展示瞭一種高效的PSC,其具有由聚合物供體和兩個窄帶隙非富勒烯受體混合而成的高效雙光電流產生途徑,在具有單結器件結構的PSC中具有13.0%(驗證為12.5%)的出色PCE認證。這些材料系統的器件顯示出約0.22-0.24 V的非輻射復合損失,這是迄今為止實現的OSC的最小值之一,可與基於單晶矽或金屬鹵化物鈣鈦礦的太陽能電池相媲美。這項研究突出表明,具有高產率和大大降低的電壓損耗的雙電荷產生途徑對於進一步提高OSC的PCE是必不可少的。相關研究以“High-Performance Fullerene-Free Polymer Solar Cells Featuring Efficient Photocurrent Generation from Dual Pathways and Low Nonradiative Recombination Loss”為題目,發表在ACS Energy Lett.上。

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8.《Adv. Energy Mater.》高效準雙層結構有機太陽電池|領域中的高被引論文

有機太陽電池因具備柔性、材料來源廣以及可卷對卷印刷等優點,而獲得瞭學術界和工業界的廣泛關註和高度重視。近年來,隨著非富勒烯受體的開發,有機太陽電池的光電轉換效率取得瞭突破性進展。然而,目前所報道的高效有機太陽電池,絕大多數是基於本體異質結(BHJ)結構,亦即將電子給體材料和電子受體材料按一定比例進行共混。其光電轉換效率在很大程度上依賴於活性層的形貌。而活性層形貌的調控是一個復雜的過程,需要綜合給/受體比例、溶劑、添加劑、熱退火、溶劑退火等一系列優化方法。而且隨著器件面積的增大,形貌調控變得更具有挑戰性。這給大面積有機太陽電池的開發帶來瞭很大的挑戰。鑒於此,華南理工大學曹鏞院士黃飛教授張凱博士通過分層沉積的方法,分別將給體材料和受體材料通過溶液加工依次沉積,成功獲得瞭高效的準雙層(Bilayer)結構有機太陽電池及其大面積器件。他們首先以富勒烯體系PffBT4T-2OD和PCBM為給/受體材料進行相關研究。結果表明,Bilayer器件表現出與BHJ器件相當的光伏性能,但Bilayer器件穩定性得到大幅提升。在連續光照條件下測試,其T80壽命達到瞭650小時(圖)。這一方面是因為bilayer結構中,給/受體相分離結構的進一步衍化得到瞭抑制;另一方面是給體材料在器件中充當瞭紫外光濾光層的作用,有效避免瞭穩定性相對較差的受體材料受紫外光的降解。更重要的是,Bilayer器件的光伏性能對加工條件的依賴性較小,當選用非鹵素溶劑二甲苯進行加工時,Bilayer器件的效率(8.9%)明顯高於BHJ器件的效率(4.1%)。之後,他們選取非富勒烯體系PM6和IT-4F為給/受體材料,采用二甲苯作為溶劑,同樣獲得瞭效率高達12.9%的器件。並且,通過刮塗法還獲得瞭效率為11.4%的大面積Bilayer器件(1 cm2),這是目前光伏性能最好的大面積刮塗器件之一。相關研究以“High‐Performance Large‐Area Organic Solar Cells Enabled by Sequential Bilayer Processing via Nonhalogenated Solvents”為題目,發表在Adv. Energy Mater.上。

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全文鏈接:DOI: 10.1002/aenm.201802832.

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