郭旭岗课题组在太阳能电池领域取得系列研究进展

weicheng

南方科技大学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 Materials，IF=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。

       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。
      《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。
     《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。
     《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。
      《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。
      《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。
        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 Photonics和Chemical Reviews论文已被引用500余次。
       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：
       https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/adma.201905161
       https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201902781
       https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/aenm.201803976
       https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.201903970
       https://www.onlinelibrary.wiley. ... 1002/advs.201901773
       https://pubs.rsc.org/en/content/ ... 01890e#!divAbstract


        郭旭岗，南方科技大学教授。1999年本科毕业于兰州大学化学系。2004年起在美国肯塔基大学化学系攻读研究生，从事半导体高分子材料合成研究，并于2009年获得哲学博士学位。2009-2012年在美国西北大学进行博士后研究工作，研究方向为有机电子材料。2012年11月加入南方科技大学，担任材料科学与工程系副教授。当前研究兴趣：低温可溶液处理的高性能有机电子器件和线路。


         关于非富勒烯太阳能电池
         自从1995年首次报道本体异质结有机太阳能电池以来，在近二十年时间里，富勒烯衍生物已成为最广泛使用的电子受体，非富勒烯受体的器件效率远远低于富勒烯衍生物。而富勒烯太阳光吸收弱、能级调控难、生产成本高、形貌稳定性差的缺点，限制了有机太阳能电池领域的可持续发展。2015年以来，非富勒烯受体领域不断取得突破，器件效率从<6%快速提高到>12%，并超过了富勒烯受体，使科学家看到了有机太阳能电池的巨大潜力，吸引了国际学术界越来越多的研究力量投入到非富勒烯受体领域，形成了国际学术热潮。可喜的是，该学术热潮是由中国科学家引领的。中国科学家在非富勒烯受体领域做出了原创性和引领性贡献，开创了重要材料体系，发明了明星分子，刷新了世界最高效率。“基于非富勒烯受体的聚合物太阳能电池”在2016年化学与材料科学领域10个热点前沿中排名第一位。中国领跑这个热点前沿，中国贡献的核心论文份额占46.3%，超过美国（41.5%）。中国表现了最强的前沿贡献度和前沿引领度。根据Web of Science数据库，中国科学家在非富勒烯受体领域发表的论文数和被引次数占半壁江山，其中，占肖卫课题组发表的论文数和被引次数均排名本领域第一位。