高效非富勒烯受体材料——助推有机太阳电池发展与产业化

  • 博士生组 票数:556
  • 姓       名:李水兴
  • 导       师:施敏敏
  • 成果类别:论文著作类
  • 院系(学园):高分子科学与工程学系
团队介绍

        陈红征教授领导的有机半导体研究室是由5位老师和40多名研究生组成的大家庭,围绕着有机光伏电池、单晶复合材料和有机光电探测等尖端领域开展前沿探索。近几年在有机太阳电池和钙钛矿太阳电池两个方面取得了一系列突破性的进展,特别是在非富勒烯受体材料的开发上,采用富有特色的分子设计思想,在同类型有机太阳电池的效率和稳定性等多个性能指标上达到国际领先水平。

团队照片

科研心得

遵从内心,砥砺而行

玉石若要成器,需要选材和打磨,选出合适的材料,打磨恰当的形状;个人若要出彩,亦要发掘和磨砺,发掘自身的潜力,磨砺隐藏的锋芒;所谓“城非一日而建,将非一日而成”,随着自己的成长,越发觉得如此。当然,良禽会择木而栖,个人亦要择路而行,选择那条自己愿意走的路,才会走得舒心。思来想去,当是如下八字,“遵从内心,砥砺而行”,这是我在将近五年的科研生涯中的所得所悟。

2012年的夏天,我怀着一片迷茫的心境,加入到了有机半导体研究室。说实话,当时的自己,看不清前方的道路,只是凭着自己的臆测,摸索前行。作为一个直博生,至少有五年时间,可以让我去找到那个方向,看清自己的人生道路。在前行的过程中,我们需要做的是正确的选择,不一定说要是最好的,但至少要是正确的。如果现在摆在你面前有两条路,一条是看似畅行无阻但未必精彩的路,另一条是看似荆棘遍布但事后精彩的路,你会选择哪一条?在博士生的科研路上,我选择了第二条路。在当时,大多数人都在研究给体材料,因为受体材料被富勒烯衍生物霸占着,看似难以动摇的样子。可是就是因为当初很少有人关注,在非富勒烯受体方面的进展也并不多,这恰恰给人提供了研究的机会,我就这样扎进了非富勒烯受体材料的研究当中。

当然,想要打开一个未被充分挖掘的领域,一开始的难度,可想而知。不知道在实验室度过了多少寂寞的夜晚,也不知道自己做了多少失败的实验,而时间总是毫不客气地偷偷溜走。眼看着一年一年的光阴逝去,而我还在那个泥潭里打滚,企图站稳脚跟。但是,上天终归是公平的,付出过的汗水,也许在当时并没立即见效,但是累积到一定时候,自然会水到渠成。

经过将近三年的蛰伏,我终于迎来了自己的成果,之前的不明白,也渐渐地变得清晰,当文章被接收发表的时候,那种心情不言而喻,又岂是一个激动可以描述的。之后我发现,科研也有它美好的地方,也会给人带来快乐,带来满足。找到一件自己喜欢的事情,在其中实现自我,获得快乐,我想这就是人生的价值所在吧。

同时,我很欣喜,能够在有机半导体研究室这个大家庭里生活、成长,有一同经历风雨的岁月,有一同吃喝玩笑的时光,有一同奋发图强的拼搏,有一同相遇相识的美好。

转眼五年时光已悄然而逝,我已不再如五年前的那般迷茫,度过的日日夜夜,走过的风风雨雨,有过的点点滴滴,尽汇成一句话:“遵从内心,砥砺而行”!

成果简介

给你一束光,你能把它变成多少电?


有机太阳电池因其质轻、柔性、可溶液加工和易大面积制备等诸多优势,成为具有广阔应用前景的新一代光伏技术。目前限制有机太阳电池进行产业化应用的主要因素是其较低的光电转化效率。然而,传统的富勒烯受体材料存在吸光弱、能级难调、成本高、形貌稳定性差等缺点,从而制约了有机太阳电池效率和寿命的提升。因此,开发新型非富勒烯受体材料,以替换富勒烯受体材料,对于助推有机太阳电池发展与产业化,意义重大。

为此,李水兴博士生采用新的分子设计思想,如引入十字交叉构型的螺芴单元和通过位阻作用自发形成空间扭曲结构等,由廉价易得的商品化染料单元——DPP(吡咯并吡咯二酮)和PDI(苝酰亚胺)出发,设计合成了一系列新型非富勒烯受体材料,与刘文清博士生合作制备了高性能的有机太阳电池。其中,DPP类材料最高实现了5.16%的光电转化效率,是当时同类型有机太阳电池的世界最高效率,同时电池还表现出了优越的热稳定性,对于实际应用具有重要价值。而PDI类材料最高可以实现7.33%的光电转化效率,也是当时同类型电池的世界最高效率之一。之后,又通过叠层器件的制备,进一步将效率提升到8.48%,并实现了1.97 V的电压,该电压是当时报道的有机叠层电池的最高值,相应器件还成功实现了电解水的应用。

2016年,分别在国际著名期刊Energy Environmental Science (IF=25.427,1篇), Advance Materials (IF=18.96,1篇,封面论文)和Journal of Materials Chemistry A (IF=8.262,3篇)报道了上述研究成果。短短一年间,5篇文章已分别被引用70次、8次、19次、20次和5次,其中三篇被ESI遴选为“高引用论文”(全球排名前1% SCI论文),一篇被遴选为“热点论文”(全球排名前0.1% SCI论文),引发了国内外同行的高度评价和跟踪研究,为中国在非富勒烯受体研究领域跃居世界领先水平作出了自己的贡献。因在非富勒烯受体材料方面的突出贡献,我们还应邀在Physical Chemistry Chemical Physics上撰写了一篇综述文章。

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