有机光电子科学与技术最新进展——Science China Chemistry有机光电子学专刊

编辑述评

有机光电子学进展特刊

有机光电子器件由于在有机发光二极管（OLED）、有机太阳能电池（OSCs）、有机场效应晶体管（OFETs）以及化学和生物传感器领域的特殊应用吸引了从学术界到工业领域的极大关注。在过去的十年中，这一尖端领域已经取得了显著的进步，这为先进有机电子器件的制造开辟了大量机遇。例如溶液处理的OSCs的功率转化效率（PCE）已经超过了12%，达到了商业化生产的基本需求。最近，主动矩阵OLEDs已经使用在了智能手机、电视和便携设备的柔性显示屏上并实现了商业化。

2016年6月26日至7月1日，有机光电子科学与技术领域历史最悠久，规模最大的重要的国际学术会议ICSM2016（The 2016 International Conference on the Science and Technology of Synthetic Metals）在广州举办。为了报道该领域重要的研究新进展，《中国科学：化学》编辑部邀请大会秘书、期刊青年编委黄飞教授和大会主席、期刊副主编曹镛院士作为特约编辑，为Science China Chemistry组织了“Organic Electronics and Photonics”专刊，并于2017年第4期正式出版。以下是本期的全部内容：

黄飞

曹镛  

文献链接：Fei Huang & Yong Cao. Special issue on recent progress in organic electronics and photonics（Sci. China Chem.，2017，DOI：10.1007/s11426-017-9040-2）

亮点介绍

1. PCE超过12%的有机串联太阳能电池

与无机太阳能电池相比，有机太阳能电池（OSCs）表现出了如成本低、重量轻以及柔性的优点。事实上，OSCs最吸引人的特点就是其可以大规模的通过卷对卷的印刷方式生产，而不会像无机太阳能电池那样涉及复杂和高成本的生产程序。OSCs的这一优点在过去二十年间吸引了研究者极大的关注。来自华南理工大学的黄飞教授对近期PCE超过12%的有机串联太阳能电池进行了简介。

文献链接：Fei Huang. Organic tandem solar cells with PCE over 12%（Sci. China Chem.，2017，DOI：10.1007/s11426-016-0518-6）

2. 通过结合液晶小分子作为第三组分实现具有厚活性层的高性能三元有机太阳能电池

在过去的二十年间，有机太阳能电池（OSCs）因其具有能够实现质轻、柔性、低成本器件的特性而吸引了研究者极大的关注。三元OSCs作为提高OSCs的功率转换效率的有效方式激发了研究者极大的兴趣，由此得到了很多高效器件。三元OSCs允许收集被单一活性层中半导体分离的高能和低能光子，同时使热损失最小化并拓宽器件的吸收范围，从而提高OSCs的性能。然而，现今报道的三元OSCs中的活性层的厚度仅为100nm，这直接限制了三元OSCs对光的富集能力，造成了其在吸收范围内无法对入射光进行有效的完全吸收。

来自华盛顿大学的Alex K.-Y. Jen对厚活性层的高性能三元有机太阳能电池进行了介绍。

文献链接：Alex K.-Y. Jen. Realizing high-performance ternary organic solar cell with thick active layer via incorporating a liquid crystalline small molecule as a third component（Sci. China Chem.，2017，DOI：10.1007/s11426-017-9015-8）

短综述

有机晶体管在生物电子学中的应用

有机场效应晶体管（OFETs）由于具有杰出的生物相容性、固有的柔性和其溶液可处理性所带来的潜在的低成本而成为了最近在生物电子领域饱受关注的候选者。在过去的几年中，生物电子应用驱动的OFETs已经吸引了对于下一代生物传感器、保健元素及人工神经界面的持续关注。

来自中科院化学研究所的狄重安研究员和朱道本研究员（共同通讯）等在本篇短综述中重点介绍了OFET基生物电子器件的基本原理和最近进展，同时总结了这一研究领域的关键策略和前景展望。

文献链接：Hongguang Shen, Chong-An Di & Daoben Zhu. Organic transistor for bioelectronic applications（Sci. China Chem.，2017，DOI：10.1007/s11426-016-9014-9）

综述

1. 共轭聚合物中包含B←N单元作为电子受体的全聚合物太阳能电池

聚合物电子受体是全聚合物太阳能电池（all-PSCs）中的关键材料。来自中科院长春应用化学研究所的刘俊研究员和窦传冬副研究员（共同通讯）等在综述中主要介绍了硼-氮配位键的原理，同时总结了包含B←N单元作为电子受体的全聚合物太阳能电池器件的最新进展。在设计聚合物电子受体时主要有两种方法：一是通过共轭聚合物中的B←N单元代替C-C单元将电子供体转变为电子受体；另一种方法就是构筑基于B←N单元的新颖缺电子单元作为电子受体。包含B←N单元的聚合物电子受体表现出了可调的最低占用分子轨道（LUMO）能级，同时展现出了超过6%的功率转换。这表明有机硼化学是发展光电器件领域内功能聚合物材料的新方法。

文献链接：Chuandong Dou, Jun Liu & Lixiang Wang. Conjugated polymers containing B←N unit as electron acceptors for all-polymer solar cells（Sci. China Chem.，2017，DOI：10.1007/s11426-016-0503-x）

2. 串联有机太阳能电池中互连层的研究进展

有机太阳能电池（OSCs）作为可再生太阳能技术有望取代化石燃料作为人类的长期能源。基于材料本身低成本的液相处理、柔性以及在较低材料成本中的潜力，因为其不断提高的功率转换效率（PCE）和长期稳定性，所以OSCs的未来远比无机太阳能电池重要。增强OSCs的PCE的关键就是减少其能量损耗机理。

来自香港大学的Wallace C.H. Choy教授（通讯作者）等在综述中主要对两方面进行了综述：（1）相比单一OSCs，串联有机太阳能电池（OSCs）的独特优点；（2）发展用于串联OSCs的合格互联层的挑战和策略。

文献链接：Shunmian Lu, Dan Ouyang & Wallace C.H. Choy. Recent progress of interconnecting layer for tandem organic solar cells（Sci. China Chem.，2017，DOI：10.1007/s11426-016-9008-1）

3. 有机半导体中作为空穴输运材料的过渡金属氧化物及基于太阳能电池的混合钙钛矿材料

有机聚合物太阳能电池（OSCs）和无机-有机混合钙钛矿太阳能电池（PSCs）已经在过去几年中取得了显著进步。此领域内的中心议题就是探索具有电子高效、稳定并具有高效空穴输运层（HTL）的材料。这会增强空穴的收集能力、减少电荷复合、增加内建电压并能同时提高器件性能和稳定性。过渡金属氧化物（TMOs）半导体已经广泛使用在了OSCs中的HTLs中。

来自香港理工大学的李刚教授（通讯作者）等对有机半导体中作为空穴输运材料的过渡金属氧化物及基于太阳能电池的混合钙钛矿材料进行了详细的总结。

文献链接：Pingli Qin, Qin He, Dan Ouyang, Guojia Fang, Wallace C.H. Choy & Gang Li. Transition metal oxides as hole-transporting materials in organic semiconductor and hybrid perovskite based solar cells（Sci. China Chem.，2017，DOI：10.1007/s11426-016-9023-5）

文章

1. 结合共轭聚合物电解液并基于C₆₀单晶的场效应晶体管及其增强的性能

金属电极和半导体间的接触电阻极大限制了有机场效应晶体管的性能，并直接导致了在界面处明显的电压降低。来自浙江大学的李寒莹教授和华南理工大学的黄飞教授（共同通讯）等人证明了通过引入共轭聚合物电解质夹层，基于液相C₆₀单晶带的n-沟道场效应晶体管具有增强的性能。这一共轭聚合物夹层极大地提高了电荷注入。因此，电子迁移率增高至5.60 cm² V⁻¹ s⁻¹，同时阈值电压极剧减小，最低达到4.90V。

文献链接：Qinfen Li, Jiake Wu, Ruihan Wu, Yujing Liu, Hongzheng Chen, Fei Huang & Hanying Li. Enhanced performance of field-effect transistors based on C₆₀ single crystals with conjugated polyelectrolyte（Sci. China Chem.，2017，DOI：10.1007/s11426-016-9018-y）

2. 冻结平面高分子发光电化学电池的高分辨扫描光学成像：实验及模型研究

发光电化学电池（LECs）是一种混合电子和离子导体的有机光学器件。聚合物基的LEC活性层包含发光聚合物、离子溶剂化/输运聚合物和与之匹配的盐类。LEC中的p-n或p-i-n结最终决定了LEC的性能。由于表征LEC动态结的困难，因此对于LEC结还知之甚少。来自加拿大女王大学的Gao Jun（通讯作者）等利用扫描光学成像技术对LEC结进行了实验和建模研究。

文献链接：Faleh AlTal & Jun Gao. High resolution scanning optical imaging of a frozen planar polymer light-emitting electrochemical cell: an experimental and modelling study（Sci. China Chem.，2017，DOI：10.1007/s11426-016-9005-1）

3. 新型双极主体材料在高效绿、黄、橙、红和深红磷光有机发光器件中的应用

来自电子科技大学的郑才俊教授和香港城市大学的Lee Chun-Sing教授（共同通讯）等人研究了由合并三苯胺构筑的新型双极主体材料TPMTPA，其可以作为电子施主核，而嘧啶可以作为电子受体边缘。TPMTPA达到了出色的双极电荷输运特性并具有足够高的三线态能级，使其对绿、黄、橙、红和深红荧光粉极为敏感。利用TPMTPA作为主体材料，高性能绿、黄、橙、红和深红磷光有机发光器件的最大外量子效率分别为20.4%、17.6%、15.1%、15.3%和15.7%。结果表明，TPMTPA可以作为不同发色PhOLEDs的通用高性能主体材料。

文献链接：Cai-Jun Zheng, Chuan-Lin Liu, Kai Wang, Si-Lu Tao, Hui Lin & Chun-Sing Lee. Novel bipolar host for highly efficient green, yellow, orange, red and deep-red phosphorescent organic light-emitting devices（Sci. China Chem.，2017，DOI：10.1007/s11426-017-9021-x）

4. 基于S···S相互作用且具有双熔四硫富瓦烯化合物π-π堆叠的电荷输运特性

有机半导体中具有短π-π堆叠的紧凑分子排列和较大的π重叠对于高效的电荷输运和较大的载流子迁移率是十分合适的。因此，沿着不同方向的电荷传输的各向异性在有机半导体中十分常见。

来自中科院化学所的胡文平研究员和董焕丽副研究员以及山东大学的方奇教授（共同通讯）等人发现基于一种EM-TTP化合物晶体的电荷输运特性可以沿着两个互相作用的方向得到，即多重增强的S···S分子间相互作用和π-π堆叠方向，其电导率和空穴迁移率分别为0.4 S cm⁻¹、0.94 cm² V⁻¹ s⁻¹ 以及 0.2 S cm⁻¹、0.65 cm² V⁻¹ s⁻¹。这为发展通过增强的分子间相互作用和π-π堆叠的协同作用而具有各向异性电荷输运特性的新型有机半导体提供了新的分子设计思路。

文献链接：Ke Zhou, Hongfeng Chen, Huanli Dong, Qi Fang & Wenping Hu. Comparable charge transport property based on S···S interactions with that of π-π stacking in a bis-fused tetrathiafulvalene compound（Sci. China Chem.，2017，DOI：10.1007/s11426-016-9011-9）

5. 利用流动催化剂制备水平排列的单壁碳纳米管

来自北京大学的李彦教授（通讯作者）等人近日发现了一种在中等温度(小于或等于600 °C) 条件下制备水平排列的单壁碳纳米管（SWNTs）的方法。利用二茂铁作为催化剂前驱体，Fe的纳米颗粒会形成气相，并催化SWNTs的原位成核和生长。这些SWNTs会沉积在气流下方的衬底上，并随着ST-cut单晶石英的表面晶格而排列。在较温和条件下制备SWNT阵列对于在器件制作的过程中结合管的生长是十分重要的。

文献链接：Rongli Cui, Xiulan Zhao, Ruoming Li, Yu Liu, Da Luo, Feng Yang & Yan Li. Preparation of horizontally aligned single-walled carbon nanotubes with floating catalyst（Sci. China Chem.，2017，DOI：10.1007/s11426-017-9012-y）

6. 可见光下具有增强光催化效率的花状Au/Ag/TiO₂纳米复合物

来自南洋理工大学的徐清华教授（通讯作者）等人将TiF₄置于酸性环境中，在较温和的条件下得到了形貌一致的花状TiO₂附着的Au纳米星以及具有不同Ag包覆量的Au@Ag纳米星核-壳结构。这些花状纳米复合物在可见光照射下的光催化能力相比于商业P25 TiO₂纳米颗粒提高了4.7倍。其增强的光催化能力来源于光吸收率的提高以及从光激发Au@Ag核到TiO₂壳的热电子注入。

文献链接：Fei Han, Xin Mao & Qing-Hua Xu. Flower-like Au/Ag/TiO₂ nanocomposites with enhanced photocatalytic efficiency under visible light irradiation（Sci. China Chem.，2017，DOI：10.1007/s11426-016-9027-6）

7. 具有硅氧烷终止混合侧链的半结晶光伏聚合物

来自韩国蔚山科学技术大学校的Jin Young Kim和高丽大学的Han Young Woo（共同通讯）等人通过结合硅氧烷终止的有机/无机混合侧链并同时改变氟取代基的数量制备出了三种半结晶光伏聚合物。这些聚合物形成了强烈团聚并具有较高粗糙度的薄膜，这说明了其较强的分子间相互作用。由于紧密的π-π堆叠，因此聚合物都具有明显的肩峰，其光学带隙为1.7eV。与PC₇₁BM混合后，三种聚合物器件的功率转化效率分别为3.16%、4.40%和5.65%。

文献链接：Yuxiang Li, Seyeong Song, Song Yi Park, Jin Young Kim & Han Young Woo. Semi-crystalline photovoltaic polymers with siloxane-terminated hybrid side-chains（Sci. China Chem.，2017，DOI：10.1007/s11426-016-0520-6）

8. 基于bi(alkylthio-thienyl)benzodithiophene和fluorobenzotriazole的D-A共聚物光伏性能中的呋喃π桥效应

来自中科院化学所的李永舫院士和张志国副研究员（共同通讯）等人利用bi(alkylthio-thienyl)benzodithiophene作为供体单元，fluorobenzotriazole作为受体单元和作为π桥的噻吩得到了具有中等带隙的供体-受体（D-A）共聚物J61。其作为供体，在具有较窄带隙的n型有机半导体ITIC作为受体的非富勒烯聚合物太阳能电池（PSCs）中表现出了出色的光伏性能。

文献链接：Tinghai Yan, Haijun Bin, Yankang Yang, Lingwei Xue, Zhi-Guo Zhang & Yongfang Li. Effect of furan π-bridge on the photovoltaic performance of D-A copolymers based on bi(alkylthio-thienyl)benzodithiophene and fluorobenzotriazole（Sci. China Chem.，2017，DOI：10.1007/s11426-017-9030-9）

9. 能够增强温度依赖的聚集、良好的混合形貌和高效聚合物太阳能电池性能的最佳氟化度

温度依赖的聚集是一些供体聚合物实现最佳体异质结（BHJ）形貌和高效聚合物太阳能电池的主要特性。来自西安交通大学的马伟教授和华南理工大学的颜河教授（共同通讯）等人证明了在聚合物主干上的最佳氟化度是第二必要的结构特征，这能够增强温度依赖的聚集特性。本文为发展具有合适温度依赖聚集特性的供体聚合物及其高性能提供了另一种关键的理性设计思路。

文献链接：Guofang Yang, Zhengke Li, Kui Jiang, Jie Zhang, Jianya Chen1, Guangye Zhang, Fei Huang, Wei Ma & He Yan. Optimal extent of fluorination enabling strong temperature-dependent aggregation, favorable blend morphology and high-efficiency polymer solar cells（Sci. China Chem.，2017，DOI：10.1007/s11426-016-0378-y）

10. 基于小分子的DTBDT系列在高效有机太阳能电池中的应用

来自南开大学的陈永胜教授和张洪涛讲师（共同通讯）等人利用三种受体-供体-受体（A-D-A）小分子DCAODTBDT、DRDTBDT和DTBDTBDT，并结合其他有机物质分别作为中心构筑单元和终端基团设计并合成了在液相处理光伏电池（OPVs）中的供体材料。实验结果表明，基于DRDTBDT的OPVs的功率转化效率（PCE）为8.34%，远高于DCAODTBDT（4.83%）和DTBDTBDT（3.39%）。

文献链接：Huanran Feng, Miaomiao Li, Wang Ni, Bin Kan, Yunchuang Wang, Yamin Zhang, Hongtao Zhang, Xiangjian Wan & Yongsheng Chen. A series of dithienobenzodithiophene based small molecules for highly efficient organic solar cells（Sci. China Chem.，2017，DOI：10.1007/s11426-016-0461-1）

11. 基于芘和吡咯并吡咯二酮的A-D-A小分子供体在有机太阳能电池中的应用

来自浙江大学的李昌治教授、Alex K.-Y. Jen教授和陈红征教授（共同通讯）等人通过耦合富电子芘核和缺电子DPP终端设计合成了三种新型的供体小分子（SMs）：Pyr(EH-DPP)₂、Pyr(HD-DPP)₂ 和PyrA(EH-DPP)₂，用其得到的有机太阳能电池（OSCs）表显出了结构-性能间的有趣关联。具有DPP的多环芳烃结合A-D-A将会成为发展光伏半导体骨架极具希望的候选。

文献链接：Jing-Qi Xu, Wenqing Liu, Shi-Yong Liu, Jun Ling, Jiangquan Mai, Xinhui Lu,Chang-Zhi Li, Alex K.-Y. Jen & Hongzheng Chen. A-D-A small molecule donors based on pyrene and diketopyrrolopyrrole for organic solar cells（Sci. China Chem.，2017，DOI：10.1007/s11426-016-9003-9）

期刊介绍

Science China Chemistry（《中国科学：化学》）是 Science China（《中国科学》）系列期刊之一，是中国科学院与国家自然科学基金委员会共同主办的学术期刊，主要报道化学科学及其交叉领域的基础和应用研究方面的创新性成果，月刊。发表的文章类型有：Highlights(亮点介绍)，Perspectives(展望)，Mini Reviews(小综述)， Reviews(综述)，Feature Articles(专题论述)，Articles(论文)，Communications(通讯)。

本文由本文Science China Chemistry投稿，材料牛编辑整理。材料牛网专注于跟踪材料领域科技及行业进展，如果您对于跟踪材料领域科技进展，解读高水平文章或是评述行业有兴趣，点我加入编辑部。

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