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南科大材料系教授郭旭岗课题组在太阳能电池领域取得系列研究进展
2019年10月15日 新知 浏览量 :2341 返回

近日,材料科学与工程系教授郭旭岗课题组在太阳能电池领域取得重要研究进展,先后在学科高水平期刊连续发表6篇论文,包括《能源和环境科学》(Energy & Environmental Science,IF=33.25),《先进材料》(Advanced Materials,IF=25.81,2篇),《先进能源材料》(Advanced Energy Materials,IF=24.88),《先进科学》(Advanced Science,IF=15.80)和《先进功能材料》(Advanced Functional MaterialsIF=15.62)。南科大为6篇论文的第一通讯单位,郭旭岗为论文通讯作者。

目前,以有机和钙钛矿为代表的第三代太阳能电池的发展处在黄金时期,领域内竞争激烈。郭旭岗课题组在提升第三代太阳能电池能量转化效率的工作上取得重要突破,在单节有机太阳能电池、非掺倒置杂钙钛矿电池效率工作中取得重大进展。

《能源和环境科学》发表了课题组在非富勒烯有机太阳能电池方面取得的重要进展。该工作首次将有机太阳能电池领域中两个功能性最强、应用最广泛的拉电子基团氟原子和酯基同时引入到了单噻吩的β位,构建了有机太阳能电池领域中最基础、最重要的建筑模块—噻吩衍生物。新噻吩衍生物FE-T中,氟和酯基两个功能基团的协同作用将衍生出一系列宽带隙、深HOMO能级、高空穴迁移率、结晶性可控的给体材料。

新型高分子半导体给体材料在非富勒烯有机太阳能电池中实现了16.4%的能量转化效率,能量损失为0.53电子伏,其中非辐射复合损失仅为0.23电子伏

在本工作中,课题组展示了第一个基于全新噻吩衍生物FE-T的高性能聚合物给体材料,并在非富勒有机太阳能电池中实现了大于16%的能量转化效率。此外,该电池能量损失仅为0.53电子伏,非辐射复合仅为0.23电子伏,证明该半导体是优秀的聚合物给体材料。

基于新型高分子半导体给体的高性能非富勒烯有机太阳能电池的工作在《能源和环境科学》以封面文章发表

《先进材料》发表了课题组在全聚合物太阳能电池方面 取得的最新研究进展。课题组此前在国际上率先开展了酰亚胺基n-型高分子半导体材料的研究。目前,酰亚胺基高分子已经逐渐发展成为重要的n-型半导体材料,能够实现全聚合物太阳能电池领域中的最高能量转化效率。尽管酰亚胺基高分子半导体取得了巨大成功,但其对太阳能光的吸收不足是限制其性能进一步提升的瓶颈。

针对此问题,课题组开发了基于苯并噻二唑的新颖n-型高分子半导体,该半导体具有对太阳光更为有效的吸收,实现了超过8%的能量转化效率,是除了酰亚胺基n-型高分子半导体外的最高值。该工作为进一步开发新型窄带隙n-型高分子半导体材料奠定了基础。

基于苯并噻二唑的新颖n-型高分子半导体和传统酰亚胺基n-型高分子半导体的全聚合物太阳能电池电压-电流特征曲线

《先进材料》发表了课题组在钙钛矿太阳能电池方面取得的重要进展。该工作打破了基于有机小分子为空穴界面层的倒置型钙钛矿电池最高效率记录,为发展高效、稳定的钙钛矿太阳能电池提供了新思路和材料体系。

新型空穴传输材料的分子设计思路与化学结构

《先进能源材料》以封面文章发表了课题组在有机太阳能电池n-型小分子方面取得的重要进展。该工作提出了小分子受体的全新设计思路,以多环芳烃为核心,极大地缩短了光伏材料合成步骤,为发展高效、低成本的有机太阳能电池提供了新的材料体系。

基于多环芳烃的有机太阳能电池受体材料在《先进能源材料》以封面文章发表

《先进科学》发表了课题组在绿色溶剂加工的有机太阳能电池方面取得的重要进展。该工作设计和合成了高性能p-型高分子半导体的新构建单体,开发了适用于绿色溶剂加工的高性能高分子给体半导体材料,并取得了大于1.0伏的开路电压值。该工作为发展高效、低能量损失、可绿色溶剂加工的有机太阳能电池提供了新的材料体系。

具有高开路电压的高性能p-型高分子半导体材料

《先进功能材料》发表了郭旭岗课题组在有机太阳能电池n-型三元共聚物受体材料设计方面取得的重要进展。该工作首次将分子内硫∙∙∙氧非共价键(S∙∙∙O)作用引入到高分子受体中,提出了构建高性能高分子受体的新策略。该工作为调节全高分子有机太阳能电池光敏层形貌提供了新的思路和更为简单的方法,为发展高效、稳定的全高分子电池提供了材料和理论基础。

基于分子内硫∙∙∙氧非共价键的高性能n-型三元共聚物半导体

郭旭岗说:“课题组取得的科研成就是成员们团结一致、互相鼓励、通力合作的结果。接下来,课题组会在光伏之路上继续前行、不断创新,致力于掌握第三代太阳能电池的的核心材料和器件加工技术,为我国新型太阳能电池研究领域走在世界前列贡献更多南科大力量。”

以上系列研究工作主要参与者为:郭旭岗课题组研究助理教授孙会靓;博士后王漾;研究助理史胜斌;博士生汤育民、南科大-北大联培博士生刘斌;本科生周鑫、苏梦瑶;访问学生虞坚炜、张宇杰。材料系副教授何祝兵和南科大-港大联培博士生陈伟负责钙钛矿器件制备与表征。

加入南科大以来,郭旭岗课题组已在Nature Photonics、Nature Energy、Chemical Reviews等高水平期刊发表论文60余篇, 其中Nature PhotonicsChemical Reviews论文已被引用500余次。

郭旭岗课题组合影

相关项目得到了国家自然科学基金、深圳市科学技术创新委员会基础研究项目、深圳市有机半导体材料与器件重点实验室的资助,得到了南科大超算中心和分析测试中心杨银花等老师的大力帮助。

论文链接:

  1. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/adma.201905161
  2. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201902781
  3. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/aenm.201803976
  4. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.201903970
  5. https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.201901773
  6. https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2019/ee/c9ee01890e#!divAbstract

供稿:材料科学与工程系

编辑:刘馨

主图设计:丘妍

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