【暑期视角】物理科学与工程学院科研人员暑假科研攻关取得重要进展

发布时间: 2024-08-01 09:23:24 浏览次数 : 606 来源:北京交通大学

7月30日，正值酷热暑假期间，物理科学与工程学院的科研人员仍在加班加点、争分夺秒进行科研攻关，在准双层有机光伏器件的工作取得重要进展。就在不久前，课题组聚焦收到国际顶尖期刊Energy & Environmental Science(影响因子32.4)和国内领军期刊Science Bulletin(影响因子18.8)反馈的论文修改意见。收到反馈意见后，课题组立即组织开展论文修订、补充数据等工作。目前，相关研究论文已经顺利通过第二轮评审，已于近日在线发表。值得一提的是：2024年该课题组已经在影响因子大于10的期刊上发表了5篇SCI论文，1篇已经被ESI高被引收录。

【背景简介】

有机光伏器件具有成本低、质量轻、柔性、半透明、可大面积制备等优点，是具有广泛应用前景的新一代绿色能源技术。通过逐层沉积(layer-by-layer, LbL)的方法制备有机光伏器件可以分别对给受体层进行优化，易于得到更理想的活性层垂直结构相分离，有助于提高电荷传输和收集能力，抑制电荷复合，为实现高性能有机光伏器件提供了更多可能性。

【成果详情】

1.三元策略结合逐层沉积工艺助力实现高性能有机光伏器件。

以聚合物PM1为给体，小分子L8-BO为受体，高结晶性小分子D18A作为第三组分，制备了一系列LbL型有机光伏器件。当第三组分D18A在给体层中含量达到30 wt%时，器件效率从18.31%提升到19.25%。研究表明：第三组分D18A可以作为PM1的成核剂和L8-BO的能量给体，协同提高给受体层中激子利用;同时D18A的加入还可以有效抑制非辐射复合损失，提升器件开路电压。这项工作表明：引入高结晶性小分子材料是协同优化给体层和受体层以实现高效有机光伏器件的有效方法。相关工作发表在Energy Environ. Sci.,2024, 17, 5173。

图1. (a)纯D18A和L8-BO薄膜，D18A/L8-BO，PM1/L8-BO和PM1:D18A/L8-BO LbL薄膜在400 nm光激发下的PL光谱。(b)二元和最优三元LbLOPVs的Nyquist曲线图。经历不同剥离时间的(c)PM1/L8-BO，(b) PM1:D18A/L8-BO薄膜的膜深度依赖光吸收光谱(FLAS)。基于(e)PM1/L8-BO和(f) PM1:D18A/L8-BO的有源层给体和受体组分分布图。

2.提出微量三线态材料掺杂的策略，有效提高了给受体激子利用效率。

三线态材料通常具有微秒级光致发光寿命和较强的磷光发射强度，三线态材料向给体或受体的能量转移可以延长给体或受体材料的激子寿命，从而提高激子的扩散距离。该工作通过考虑材料吸收、发光、兼容性特性，将新设计合成的三线态材料Ir配合物m-Ir(CPmPB)3引入PM6/PY-DT体系的受体层，当Ir(CPmPB)3在受体层含量为0.3 wt%时，有源层内激子解离、电荷的传输和收集均得以优化，器件效率达到最高为18.24%。相关工作发表在Sci. Bull.doi: 10.1016/j.scib.2024.07.027.

图2. (a) PM6、PY-DT和m-Ir(CPmPB)3的化学结构和能级;(b)图形摘要;在375nm的激发光下，(c) PM6和PM6+m-Ir(CPmPB)3;(d) PY-DT和PY-DT+m-Ir(CPmPB)3的TRPL光谱。

【逐层沉积型有机光伏器件研究成果总览】

据悉，该课题组自2021年聚焦于LbL型有机光伏器件领域，在高性能LbL型器件构筑，激子/载流子动力学过程研究方向开展了系统的工作：① 提出引入双极性材料作为解离强化层/将少量给体引入受体层中的方案，有效提高了阳极/阴极附近激子利用(ACS Appl. Mater.Interfaces2023,15, 7247;Adv. Funct. Mater.2023,33,2215204);② 提出将微量具有三线态发光特性的金属配合物作为能量给体和固体添加剂，有效延长了给受体材料激子扩散寿命，提高了激子利用效率(ACS Materials Lett.,2024, 6, 2964;Sci. Bull.doi: 10.1016/j.scib.2024.07.027);③ 提出构筑给体/MOO3/受体结构薄膜，结合荧光光谱作为验证给受体材料间能量传递过程的有效手段;进一步通过正反型结构LbL器件性能对比，证明材料自吸收效应及能量传递在激子利用中发挥关键作用(Chem. Eng. J.2023,462, 142327，Chem. Eng. J.2022,450, 138146);④ 逐层沉积工艺结合分层优化方案，逐层调控给受体层形貌，实现高性能LbL型有机光伏器件(Energy Environ. Sci.,2024, 17, 5173,J. Mater. Chem. A,2024, 12,4077，Small2022,18,2104215;Chem. Eng. J.2022,442, 136368等)。

【通讯作者简介】

马晓玲，北京交通大学副教授，入选博士后创新人才支持计划，全球前2%顶尖科学家榜单，北京交通大学“青年英才”计划。以第一级通讯身份在影响因子>10的期刊上发表SCI论文20余篇，第一作者论文入选“中国百篇最具影响国际学术论文”。主持国家自然科学基金集成项目子课题，国家自然科学基金青年项目，河北省优秀青年项目，北京市自然科学基金面上项目等。

张福俊，北京交通大学教授，以通讯作者身份在影响因子大于15的期刊上发表SCI论文50余篇。主持荣获北京市科学技术二等奖、三等奖各1项，中国光学学会科技创新二等奖1项，中国光学十大进展;指导毕业了14名博士生，7人分别入选科睿唯安全球高被引科学家、博新计划、香江学者、澳门学者、中国科学院特别研究助理、博新计划B和C。

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