《有機光伏：從跟隨到引領》課件

科學家精神胸懷祖國、服務人民的愛國精神勇攀高峰、敢為人先的創(chuàng)新精神追求真理、嚴謹治學的求實精神淡泊名利、潛心研究的奉獻精神集智攻關、團結協(xié)作的協(xié)同精神甘為人梯、獎掖后學的育人精神干一行愛一行一科研感悟：人生感悟：成功之道熱愛

+ 用心

+ 努力

+ 認真

=

成功熱愛：

干一行愛一行（一）熱愛是最好的老師。無論做什么工作，熱愛是成功的先決條件。作為學生，應該熱愛自己所學的課程；作為研究生，應該熱愛自己的研究方向；作為教師，應該熱愛自己的教學和科研工作?？既肴A東化工學院（現(xiàn)華東理工大學）抗菌素專業(yè)（現(xiàn)“生物工程”專業(yè)）1978年2月考入華東化工學院化學系物理化學專業(yè)讀研究生1979年9月考取復旦大學化學專業(yè)博士，師從吳浩青院士，從事電化學嵌入反應的研究1983年3月“鋰電池電極反應機理——電化學嵌入反應的研究”1987年獲國家教委科技進步二等獎對鋰離子電池的研究做出突出貢獻的三位科學家獲得2019年度諾貝爾化學獎約翰·B·古迪納夫吉野彰M·斯坦利·威廷漢人的一生只有兩個問題，第一問題，是找到一個問題，第二個問題，是把他解決掉?？死瓊愃埂R納1986年8月考入中國科學院化學研究所繼續(xù)攻讀博士后，師從錢人元院士，進行導電聚合物電化學方面的研究1988年8月博士后出站留在中國科學院化學研究所工作，繼續(xù)開展導電聚合物電化學的研究艾倫·黑格百川英樹艾倫·G·馬克迪爾米德對導電高分子做出突出貢獻的三位科學家獲得2000年度諾貝爾化學獎研究方向逐漸轉(zhuǎn)向共軛聚合物光電子材料和器件方面，包括聚合物發(fā)光二極管和聚合物發(fā)光電化學池1997年2000年研究重點集中到聚合物太陽電池光伏材料和器件方面用心：勤動腦筋、用心做事（二）努力：

天道酬勤，

努力就會有好運（三）認真：認真助人成功（四）世界上怕就怕“認真”二字，共產(chǎn)黨就最講認真。毛澤東1957年11月17日在莫斯科接見中國留學生和實習生的講話1957年11月，毛澤東主席訪問蘇聯(lián)時在莫斯科大學接見中國留學生。為人“待人以誠”認真做事“一絲不茍”認真從跟隨到引領二有機光伏：2021年3月15日，習近平在中央財經(jīng)委員會第九次會議上的重要講話實現(xiàn)碳達峰、碳中和是一場廣泛而深刻的經(jīng)濟社會系統(tǒng)性變革，要把碳達峰、碳中和納入生態(tài)文明建設整體布局，拿出抓鐵有痕的勁頭，如期實現(xiàn)2030年前碳達峰、2060年前碳中和的目標《中共中央

國務院關于完整準確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》到2030年，……非化石能源消費比重達到25%左右，風電、太陽能發(fā)電總裝機容量達到12億千瓦以上到2060年，綠色低碳循環(huán)發(fā)展的經(jīng)濟體系和清潔低碳安全高效的能源體系全面建立，能源利用效率達到國際先進水平，非化石能源消費比重達到80%以上石油17%煤炭58%天然氣10%非化石能源15%水電8%可再生能源4%核能3%2020年我國一次能源消費結構展望太陽能利用的重要形式水力發(fā)電 風力發(fā)電間接太陽能利用直接太陽能利用太陽能熱利用 太陽能光利用6CO2+6H2O（光照、葉綠體）→C6H12O6+6O2植物光合作用——最重要的化學反應太陽能電池（一）太陽能電池將太陽能直接轉(zhuǎn)化成電能的裝置包括單晶硅、多晶硅晶體硅太陽能電池無機半導體薄膜太陽能電池鈣鈦礦太陽能電池高效率低成本高穩(wěn)定性晶體硅太陽能電池1實驗室最高效率：27.3%商業(yè)化批量生產(chǎn)效率：>25%實驗室最高效率：23.3%商業(yè)化批量生產(chǎn)效率：21%單晶硅太陽電池多晶硅太陽電池寧夏中衛(wèi)市沙漠光伏產(chǎn)業(yè)園光伏電站安徽黃山市黃山區(qū)新豐鄉(xiāng)安居村的光伏電站建筑與光伏系統(tǒng)相結合（BAPV）建筑與光伏器件相結合（BIPV）有機—無機雜化金屬鹵化物鈣鈦礦太陽電池2鈣鈦礦以俄羅斯礦物學家Lev

Perovski的名字命名的具有CaTiO3分子式A：Cs+，甲脒（HC（NH2）2+（FA+））甲胺（CH3NH3+（MA+））……B：Pb2+，Sn2+……X：鹵素陰離子（Cl-，Br-，I-）有機—無機雜化金屬鹵化物鈣鈦礦的化學式：ABX3有機—無機雜化金屬鹵化物鈣鈦礦材料的優(yōu)點原料成本低、溶液加工、可制備成柔性器件高效率PerovskiteSiCIGSGaAs能帶帶隙（eV）1.5（可調(diào)）1.11.121.43光吸收系數(shù)（cm-1）104-5103104-5104-5載流子遷移率cm2/（V·s）~100for

e-and

h+~1400for

e-~450for

h+~20for

h+~100for

e-~8500for

e-~400for

h+載流子壽命>1μsms50–200ns<300ns擴散長度~200μm~5000μm<10μm~70μm有機—無機雜化金屬鹵化物鈣鈦礦半導體的特性鈣鈦礦材料同時具有激子束縛能小、擴散長度長、雙極性傳輸?shù)蕊@著優(yōu)點鈣鈦礦獨特的能帶結構使其具有高的缺陷容忍度，有利于光電器件的制備鈣鈦礦材料具有堪比砷化鎵的優(yōu)良的半導體特性，同時卻具備可溶液加工特性，使其成本遠低于傳統(tǒng)半導體材料鈣鈦礦材料存在的問題缺陷結構穩(wěn)定性構筑載流子輸運效率高、缺陷少、穩(wěn)定性好的活性層與界面層是實現(xiàn)高效率、高穩(wěn)定性的鈣鈦礦太陽電池的核心。有機太陽能電池的發(fā)展（二）有機太陽電池的器件結構和關鍵材料常規(guī)結構負極負極修飾層反向結構100nm正極10nm正極修飾層100nm10nm負極修飾層100nm負極AIIT0電極基底活性層（給體/受體）正極修飾層正極光電轉(zhuǎn)換過程吸光激子擴散激子電荷分離電荷傳輸電荷收集關鍵材料給體受體電極界面修飾層材料輕、薄、柔與硅太陽電池應用互補在便攜能源、可穿戴、建筑一體化、室內(nèi)太陽電池等方面具有重要的應用前景有機/聚合物太陽電池的優(yōu)點吸收光譜：給體和受體光伏材料可見—近紅外區(qū)吸收互補、活性層在可見—近紅外區(qū)具有寬而強的吸收電子能級：給體和受體電子能級相匹配，既保證在給體/受體界面上激子的有效電荷分離，又達到具有最高的開路電壓高效光伏材料需要具備的基本性質(zhì)激子特性：小的束縛能和大的擴散長度電荷載流子遷移率：給體需要有高的空穴遷移率、受體需要有高的電子遷移率，并且最好給體/受體的遷移率能夠平衡溶解性：這是溶液加工成膜的前提聚集和形貌：給體/受體能自組裝形成納米尺度相分離的給體/受體互穿網(wǎng)絡結構2000.00.40.20.60.81.01.2Normalized

absorbance(a.u.)300

400

500

600

700

800Wavelength(nm)

P3HTin

filmP3HT

in

solutionPC71BM-3.91eVPCBMLUMO-3.91eVHOMO-5.93eV-5.83eVP3HT吸收光譜PCBM和PC71BM的吸收光譜對基于P3HT：PCBM有機太陽能電池的分析Voc：0.6V左右PCE：約3%~4%存在問題：吸收不夠?qū)挕⒛芗壊黄ヅ涓焕障┦荏w：只在短波長有吸收，能級難以調(diào)制聚合物給體：吸收不夠?qū)?、HOMO能級過高、空穴遷移率需要提升進一步如何設計超越P3HT和PCBM的高效有機光伏材料共軛聚合物給體：拓寬吸收、降低HOMO能級、提高空穴遷移率主鏈工程：D-A共聚側鏈工程：共軛側鏈、吸電子基團取代富勒烯衍生物受體：抬高LUMO能級，同時保持高的電子遷移率SSn-C12H25*2S

*S

m Snm:n

1:0P1S*n*P3HT0.99P20.40.59P30.20.0-0.22.01.81.61.41.21.00.80.6Absorbance(10-2/nm)300 400 500 600 700 800Wavelength

(nm)P1P2P3P3HTCompound

6引入共軛側鏈拓寬吸收和提高空穴遷移率吸收光譜PolymersVoc（V）Isc（mA/cm2）FF（%）PCE（%）P10.667.11361.71P20.698.74432.57P30.7210.3433.18P3HT0.609.9412.41引入共軛側鏈拓寬吸收和提高空穴遷移率SSSOOSnSR

SSOORO SSSSOSnSSSOSnROORSR

SPBDTTT-E-TR

S

PBDTTT-C-TRPBDTTT-C1.00.80.60.4A0.20.0300

S

nORPBDTTT-EPBDTTT-E-T PBDTTT-EPBDTTT-C-T PBDTTT-CPolymer lmax

（nm）Eg,optHOMO LUMO（eV）

（eV）溶液膜（eV）PBDTTT-C6856821.60-5.07-3.21PBDTTT-C-T6936981.57-5.11-3.25400500600700

800l/

nmPolymersVoc（V）Jsc（mA/cm2）FF（%）PCE（%）mhole（cm2/Vs）PBDTTT-C0.7015.5159.26.435.53E-4PBDTTT-C-T0.7417.4858.77.592.73E-1茚雙加成上移C60衍生物受體材料的LUMO能級LUMOlevels

（eV）PCBM:

-3.91ICMA:

-3.86ICBA: -3.74ICBAICMA-12-8-404

P3HT:PCBMP3HT:ICMAP3HT:ICBACurrentDensity

(mA/cm2)0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0Bias

(V)PSCbasedon

P3HT/ICBA:Vocof0.84V,PCEof

5.44%PSCbasedon

P3HT/PCBM:Vocof0.58V,PCEof

3.88%經(jīng)過器件優(yōu)化，基于P3HT：ICBA的器件PCE提升至6.48%茚雙加成C70衍生物受體材料基于P3HT：IC70BA的器件效率提升至7.40%聚合物太陽能電池的發(fā)展（三）窄帶隙有機小分子受體光伏材料與窄帶隙有機小分子受體匹配的低成本高效聚合物給體光伏材料窄帶隙有機小分子受體高分子化的聚合物受體光伏材料和全聚合物太陽電池基于小分子受體的巨分子受體光伏材料窄帶隙有機小分子受體光伏材料1A-D-A型窄帶隙小分子受體（SMA）光伏材料ITICLUMO

HOMO（eV）

（eV）-3.83

-5.48PTB7-Th

-3.59 -5.20側鏈異構化進一步提高ITIC的光伏性能PhotovoltaicparametersofthedevicesbasedonJ61:ITICandJ61:m-ITICwithD/Aweightratioof1:1andthermalannealingat130oCfor5

min.AcceptorVoc[V]Jsc[mA·cm-2]FF[%]PCE[%]μh/μeITIC0.898（0.900±0.004）17.97（17.72±0.45）65.49（64.55±1.38）10.57（10.28±0.15）1.97m-ITIC0.912（0.902±0.004）18.31（18.31±0.34）70.55（69.55±1.10）11.77（11.49±0.16）1.18A-DA’D-A結構窄帶隙有機小分子受體基于PM6:Y6（1:1.2，w/w）的聚合物太陽電池PCE=15.7%基于PM:SMA不同溶劑處理的PSC的光伏性能A-DA’D-A結構SMA內(nèi)側鏈末端引入苯環(huán)用于非鹵溶劑加工的受體光伏材料SMA受體溶劑PCE

(%)Y6氯仿→氯苯16.22→13.37L8-BO氯仿→氯苯17.74→16.28Y6-Ph氯仿→氯苯16.01→16.80L8-Ph氯仿→氯苯18.09→18.83A-DA’D-A型

SMA頂端酯基取代基對其光伏性能的影響50 100 150 200 250 300

Heating

CoolingExo

UpHeatFlow(W

g-1)Temperature

(℃)FF24-Cl

FM24-ClMM24-Cl0.00.20.40.60.8FilmNormalizedAbsorbance

(a.u.)300

400

500

600

700

800

900

1000Wavelength

(nm)1.0

FF24-Clε=1.56×105cm-1FM24-Clε=1.52×105cm-1MM24-Clε=1.47×105

cm-10.00.20.40.60.8SolutionNormalizedAbsorbance

(a.u.)300

400

500

600

700

800

900

1000Wavelength

(nm)ε=1.96×105M-1cm-1FM24-Clε=1.89×105M-1cm-1MM24-Clε=1.81×105M-1

cm-1PBQx-TClFF24-ClFM24-ClMM24-Cl-6.0-5.5-5.0-4.5-4.0-3.5-3.86-5.63-3.85-3.87-5.86-5.36EnergyLevel

(eV)-2.97-5.73(c)(e)

-2.5-3.0NNSSC4H9C6H13

C6H13

C4H9R1

R2OONC

NCCNCNCl Cl1.0

FF24-ClClCl(d)C2H5SC2H5S

(a)F FFH3C1

2R=R

=FCH3

R1=R2=Me

MM24-ClFF24-ClCH3R1=F;

R2=MeFM24-ClA D TSB D A TopSubstitutedBenzene

(b)C4H9 C4H9頂部取代基對窄帶隙SMA光伏性能的影響與窄帶隙有機小分子受體匹配的高效聚合物給體光伏材料2高效率、低成本和高穩(wěn)定性是實現(xiàn)有機/聚合物太陽電池實際應用的前提和關鍵。PTQ10是一種結構簡單的D-A共聚物，其中噻吩環(huán)作為給體單元、喹喔啉作為受體單元。使用新型受體、基于PTQ10為給體的二元聚合物太陽電池PCE達到18.55%?；赑TQ10給體的三元聚合物太陽電池PCE達到19.34%。窄帶隙有機小分子受體高分子化的聚合物受體光伏材料和全聚合物太陽電池3全聚合物太陽電池擁有成膜性、柔韌性和穩(wěn)定性好的突出優(yōu)點，最有希望在柔性聚合物太陽電池中獲得應用。聚合物受體在長波長的吸收系數(shù)太弱限制了all-PSC短路電流和效率的提高。據(jù)此提出了窄帶隙強吸收的小分子受體高分子化制備高效聚合物受體的策略。將IDIC與噻吩單元共聚，合成了強吸收的聚合物受體PZ1PSMA的激子束縛能較其對應的SMA的激子束縛能有所降低工程前沿研究新型高性能陶瓷儲能材料及電容器CO2合成多碳平臺化合物核制氫耦合冶金技術研究高性能聚合物受體及其在柔性全聚合物太陽能電池中的應用低碳高效先進氣體分離純化材料設計和應用半導體光存儲材料遇器件研究快速自愈合高分子材料設計多相微觀界面演變行為新型智能生物材料仿生設計與材料生物學理論極地船舶用低溫鋼等關鍵材料的研究高催化活性納米酶的設計與應用兼具小分子的確定分子量和批次重復性好、以及聚合物的成膜性和穩(wěn)定性好的優(yōu)點基于小分子受體的巨分子受體光伏材料分子構型對巨分子受體光伏性能的影響基于寬帶隙鈣鈦礦前結/窄帶隙有機后結的疊層太陽電池4以寬帶隙鈣鈦礦為前結、窄帶隙有機太陽電池為后結的鈣鈦礦/有機疊層太陽電池，穩(wěn)定性優(yōu)于單結鈣鈦礦和單結有機太陽電池，效率可超過單結鈣鈦礦太陽電池。p-i-n結構疊層器件前結：寬帶隙鈣鈦礦層FA