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[材料资讯] 周惠琼、裘晓辉、张勇等在有机太阳能电池界面修饰研究方面取得新进展

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发表于 2021-10-1 10:14:55 | 显示全部楼层 |阅读模式
近日,国家纳米科学中心周惠琼研究员课题组与裘晓辉研究员、张勇研究员课题组合作,在有机太阳能电池界面层的纳米级表面能分布调控方面取得重要进展。相关研究成果“Nanoscale Heterogeneous Distribution of Surface Energy at Interlayers in Organic Bulk-Heterojunction Solar Cells”发表于《Joule》杂志上(Joule, 2021, https://doi.org/10.1016/j.joule.2021.09.001)。

有机太阳能电池界面层

有机太阳能电池界面层
  图:PEDOT:PSS薄膜和MP-2薄膜的纳米级表面能分布;非均一性的表面能分布与给受体间的表面能差异、器件效率提高之间的联系
        在溶液法制备的有机太阳能电池中,表面能对体异质结薄膜形貌的形成起到关键作用。通过给体与受体的表面能差异可以预测有机本体异质结(BHJ)薄膜中两相的混溶性,而底部界面层的表面能可以调节体异质结的垂直分布和分子堆积取向。薄膜的表面能常采用Owens-Wendt模型通过测量接触角的方法得到,但这种测试方法无法反映纳米尺寸范围内的表面能分布,无法直接解释体异质结结构中纳米级的堆积和相分离变化。
        周惠琼研究员课题组长期致力于溶液法太阳能电池的界面研究,针对界面层表面能的调控开展了一系列的研究。通过引入氧化钨(WOx)纳米颗粒提高了聚3,4-乙烯二氧噻吩:聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)空穴传输层的表面能,并在有机非富勒烯太阳能电池中实现了80%的填充因子(Adv. Mater., 2018, 30, 1801801)。而后进一步深入探究了活性层堆积取向、界面层表面能与器件性能之间的关系(Adv. Mater. 2019, 31 1806921),并将此界面修饰策略应用于反型器件电子传输层研究之中(J. Mater. Chem. A, 2019, 7, 3570–3576)。此外,该策略也能应用于钙钛矿太阳能电池,采用生物聚合物肝素钠改善了电子传输层的表面能,钝化了界面缺陷,同时提高器件的效率和稳定性(Adv. Mater., 2018, 30, 1706924)。
        在前期工作的基础上,该研究团队利用基于原子力显微镜的峰值力定量纳米力学模式(Peak-force Quantitative Nanomechanical Mappings,PFQNM)技术,成功表征了有机太阳能电池空穴传输层表面的纳米级表面能分布。研究中发现,掺杂不同横向尺寸的MoS2纳米片,可以有效调控PEDOT:PSS层的表面能微观分布,增强表面能分布的非均一性。这种非均一性的纳米级表面能分布可以进一步调控活性层的分子排列和结晶取向,调控活性层给体和受体间的相分离。由于表面能分布调控策略对活性层形貌的优化,太阳能电池器件的性能和稳定性均得到提升,并实现了18.27%的光电转换效率(经中国计量科学研究院认证的效率为17.80%)。当给受体之间表面能之差越大,该策略对其器件效率的提升率越高。  
        国家纳米科学中心的博士研究生李彦勋、丁建伟和硕士研究生梁程为该文章的共同第一作者,周惠琼研究员、裘晓辉研究员和张勇研究员为共同通讯作者。上述研究工作得到了其他合作者的支持,以及科技部(2017YFA0206600)、国家自然科学基金(No. 21922505, 21773045)和中国科学院基金(No.YJKYYQ20190010,No. XDB36000000)等项目的资助。




       文章来源:国家纳米科学中心
       周惠琼,国家纳米科学中心研究员,博士生导师。2002年获武汉大学化学与环境科学学院本科学位;2005年获武汉大学化学与环境科学学院硕士学位,导师为秦金贵教授和陈兴国教授;2009年获国家纳米科学中心博士学位,导师为江雷院士和唐智勇研究员。2009年在香港理工大学Paddy K.L. Chan教授小组进行博士后研究;2010-2014年在美国加州大学圣塔芭芭拉分校Alan J. Heeger教授(2000年诺贝化学奖得主)研究小组从事光电器件和有机太阳电池的研究工作。2015年3月回国加入国家纳米科学中心,入选科学院“百人计划”。
         裘晓辉,国家纳米科学中心研究员。1992年毕业于吉林大学化学系物理化学专业。1997年、2000年在中国科学院化学研究所分别获得理学硕士、博士学位。2000年8月至2006年3月期间在美国加州大学Irvine分校、美国IBM公司中心研究部、美国俄亥俄州立大学等院校任博士后和访问科学家,长期从事与扫描探针技术相关的研究工作。2006年3月进入国家纳米科学中心工作,2007年6月获“百人计划”择优支持。现任中科院纳米标准与检测重点实验室主任、Surface science和Advanced Materials Interfaces杂志顾问编委。近期主要开展了单分子物理化学性质的扫描探针显微技术研究、基于扫描探针的纳米结构材料基本电学性质测量方法研究、以及纳米材料的显微超快光谱方向的研究工作。已在国际学术期刊上发表论文60余篇,其中包括 Science,Phys. Rev. Lett.,J. Am. Chem. Soc.等,被他引两千余次。
       张勇,国家纳米科学中心研究员,博士生导师,中国科学院“百人计划”入选者,2001年和2006年分别在西安交通大学和中国科学院化学研究所取得学士和博士学位。2006年至2007年在德国拜罗伊特大学做博士后。2007年至2011年在爱尔兰都柏林大学作博士后,期间作为访问学者在美国普度大学从事研究工作半年。2011年至2015年在爱尔兰三一学院担任研究员。2015年3月全职回国,在国家纳米科学中心工作。长期从事低维纳米材料,薄膜材料,以及高分子复合材料的研究。在Nature Nanotechnology, Advanced Materials, Advanced Optical Materials, Scientific Reports等国际著名学术期刊上发表论文十余篇。授权中国专利一项。

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