中国石油大学（华东）赵学波团队 Nano Energy：基于无定型聚合物给体材料的高性能有机太阳能电池

【背景介绍】

随着全球能源危机的不断加剧，寻找新的清洁能源成了摆在人类面前的一个迫切需求。有机太阳能电池具有成本低、质量轻、材料来源广泛、可采用印刷方式加工、可制备柔性器件等诸多优势，近年来受到了广泛的关注。过去，研究人员普遍认为使用具有高结晶性的共轭电子给体材料有利于器件内电荷的传输，是获得高性能有机太阳能电池的一个必备条件。相比之下，结构无序的电子给体鲜有报道，人们对这类材料的认识相对缺乏。

【成果简介】

近日，Nano Energy刊登了中国石油大学（华东）赵学波团队的研究论文“基于无定形电子给体材料与修饰富勒烯受体的高性能有机太阳能电池”（High effciency organic solar cells based on amorphous electron-donating polymer and modified fullerene acceptor）。论文由中国石油大学（华东）、江汉大学、西安近代化学研究所、上海交通大学，华南理工大学等单位合作完成。中国石油大学（华东）非常规油气与新能源研究院赵学波教授为论文第一单位通讯作者，肖标博士为第一作者。

【文章亮点】

该文利用一种在结构上高度无序的电子给体与富勒烯衍生物电子受体作为光活性层材料，采用低沸点溶剂蒸汽退火处理的方式制备并优化了电子有机太阳能电池，获得了光电转换效率高达7.25%的有机太阳电池器件。作者采用一系列光学与电学手段阐明了采用溶剂蒸汽退火工艺处理光活性层造成器件性参数能（尤其是开路电压）发生显著改变的原因。

【图文导读】

图1. 无定型电子给体材料的分子结构及其光伏器件的基本光电性能

a）无定型电子给体PBDTTFTQ-DO的分子结构式；

b）溶剂蒸汽退火处理前后器件的电流-电压图；

c）电池的量子转换效率图；

b）溶剂退火前后薄膜的吸收图；

f）溶剂处理前后器件内的激子生成速率图。

图2. 光活性层薄膜的形貌表征

a）- c）溶剂蒸汽处理前后的GIXD图；

d）薄膜的软X射线衍射图谱。

图3.器件中载流子的传输性能评价

a）溶剂蒸汽退火处理前后单载流子器件的电流-电压特性；

b）采用交流阻抗谱得到的载流子迁移率随电场的变化规律。

图4.不同模拟光强下器件的输出特性。

a）、b）溶剂蒸汽处理前后电池的J-V特性曲线；

c）器件的填充因子随光强的变化规律。

图5. 交流阻抗分析结果

a）、b）As cast与Solvent annealed 器件的阻抗测试图；

c）- f）器件的传输电阻（R_trans）、复合电阻（R_rec）、载流子平均寿命（τ_ave）及电容理想因子（CPE_P）随电场的变化规律。

图6. 器件的电容测试结果

a）0V时器件的电压特性；

b）10kHz、暗态下器件的Mott-Schottky曲线；

c）CPE_T随光强的变化规律。

图7. 器件的开路电压变化原理示意图

a）溶剂蒸汽处理前后给受体的能级位置示意图；

b）溶剂蒸汽处理前后薄膜形貌变化示意图。

总结&展望：

一方面，此项工作表明即使无定型聚合物也是可以用来制备高性能有机太阳能电池的。另一方面，这项工作为有机太阳能电池中给体材料的设计提供了新的思路。同时，本文也阐明了溶剂蒸汽处理对太阳能电池器件性能影响的原因，有助于进一步优化器件并获得更高能量转换效率的有机太阳能电池。

通讯作者简介：

赵学波，中科院“百人计划“入选者， 山东省“泰山学者”特聘专家。1986年毕业于辽宁石油化工大学并留校任教。2000年出国留学，2005年获英国纽卡斯尔大学博士学位并留在该校继续从事研究工作。留英期间获“国家优秀自费留学生奖”和英国燃烧工程协会杰出研究成就奖“The Derek Ezra Award 2004”。2010年入选中国科学院“百人计划”，任中科院青岛生物能源与过程研究所研究员、“储氢及新型纳孔材料”团队负责人。2014年转入中国石油大学（华东）非常规油气与新能源研究院工作，任教授委员会主任、博士生导师、“新能源科学与技术研究中心”主任，2015年当选山东省“泰山学者特聘专家”。他负责的研究中心现在主要从事新型金属有机框架材料、新型碳材料的制备及其在气体分离与存储、新型电极材料、储能材料、石油加工催化材料等方面的应用研发工作。近年来，在Science、Nature-Chemistry、JACS、Angew、AFM、Nano Energy、CM、CC、JMC、Carbon、JPC、ACS Appl. Mater. Interfaces等国际著名学术期刊发表100多篇研究论文, 被国内外同行引用4000多次，以第一作者发表在Science上的论文单篇引用1000多次。

团队近期成果：

Liting Yan, Lei Cao, Pengcheng Dai, Xin Gu, Dandan Liu, Liangjun Li, Ying Wang, Xuebo Zhao*. Metal‐Organic Frameworks Derived Nanotube of Nickel–Cobalt Bimetal Phosphides as Highly Efficient Electrocatalysts for Overall Water Splitting. Advanced Functional Materials, 2017. DOI: 10.1002/adfm.201703455

BiaoXiao, Minli Zhang, Jun Yan, Guoping Luo, Ke Gao, Jiyan Liu, Qingliang You, Hong-Bo Wang, Chao Gao, Baofeng Zhao, Xuebo Zhao*, Hongbin Wu, Feng Liu. High efficiency organic solar cells based on amorphous electron-donating polymer and modified fullerene acceptor. Nano Energy, 2017, 39: 478-488.

Liting Yan, Pengcheng Dai, Ying Wang, Xin Gu, Liangjun Li, Lei Cao, Xuebo Zhao*. In Situ Synthesis Strategy for Hierarchically Porous Ni2P Polyhedrons from MOFs Templates with Enhanced Electrochemical Properties for Hydrogen Evolution. ACS Applied Materials & Interfaces 9.13 (2017): 11642-11650.

Liangjun Li, Pengcheng Dai, Xin Gu, Ying Wang, Liting Yan, Xuebo Zhao*. High oxygen reduction activity on a metal–organic framework derived carbon combined with high degree of graphitization and pyridinic-N dopants. Journal of Materials Chemistry A 5.2 (2017): 789-795.

Xin Gu, Liangjun Li, Ying Wang, Pengcheng Dai, Hongbo Wang, Xuebo Zhao*. Hierarchical tubular structures constructed from rutile TiO₂ nanorods with superior sodium storage properties. Electrochimica Acta, 2016, 211: 77-82.

原文链接：High efficiency organic solar cells based on amorphous electron-donating polymer and modified fullerene acceptor （Nano Energy，2017，https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2017.07.034）

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