陸仕榮團隊全小分子有機太陽能電池材料領域取得進展

　　近日，國際知名期刊《Joule》、《Science Advance》、《Advanced Science》、《Solar RRL》和J. Mater. Chem. A發表了中科院重慶院陸仕榮研究團隊在小分子光伏材料設計合成及器件性能研究方面的系列成果。

　　目前我國光伏發電主要采用晶硅電站集中發電的模式，存在火電調峰、遠距離輸運和大范圍異地消納的難題。同時，我國太陽能分布廣泛，適合發展光伏建筑一體化、光伏+農業、便攜式光伏發電等分布式光伏發電技術。所以，國家發改委和能源局出臺系列政策，明確鼓勵發展分布式光伏發電系統，從而推行“自發自用，余電上網”的分布式光伏消費模式，實現傳統光伏消費模式的迭代和升級。相對傳統晶硅電池，有機太陽能電池在分布式光伏發電領域具備兩大優勢：第一，可以像印刷報紙一樣印刷制備，工藝成本低；第二，類似一片可以發電的塑料薄膜，具備超薄、超輕、超柔的優點。根據光敏層材料的不同，有機太陽能電池可以分為高分子電池和小分子電池兩大類。其中，小分子有機太陽能電池具有材料結構精確和器件重復性良好的優勢，但光電轉化效率有待提升。因此，基于小分子材料結構修飾提升電池效率的研究屬于有機光伏領域的前沿熱點。

　　中科院重慶研究院陸仕榮團隊成立于2017年5月，專攻有機太陽能電池技術，目前已建成貫穿材料-器件-載流子輸運機制-大面積印刷技術的系統研發平臺，組建了一支包括國家高層次海外引進人才、中科院百人計劃入選者和中科院青促會成員的研究團隊，團隊成員學科背景交叉、優勢互補，形成一個有機的整體。近期，本研究團隊在基于BDT單元骨架的高性能小分子光伏材料研發方面取得如下系列進展：

　　（1） 基于分子結構修飾的相分離調控技術：

　　小分子有機太陽能電池光敏層中給/受體的相分離狀態是影響載流子分離、輸運、提取，以及器件光電轉化效率的關鍵因素，所以相分離調控是進一步提升小分子有機太陽能電池光電轉化效率的關鍵手段。

　　a. 基于分子鹵代的相分離調控技術

　　通過在液晶型小分子給體BTR中引入氯原子，構筑出新型液晶分子BTR-Cl，從而顯著提升分子的結晶性。BTR-Cl與結晶性相對較弱的明星受體Y6吸收光譜互補，且能級匹配，能形成理想的相分離狀態，最終制備出效率13.6%的全小分子太陽能電池，創全小分子太陽能電池國際最高效率紀錄，效率經第三方權威結構-中國計量科學研究院認證為13.0%，相關研究成果發表到Cell子刊Joule上（Joule，2019，3，1-14）。該研究工作的第一通訊單位為中國科學院重慶綠色智能技術研究院，第一作者為本研究團隊的助理研究員陳海燕和胡定琴，通訊作者為本團隊的陸仕榮研究員、肖澤云研究員和重慶大學的孫寬研究員。

　　b. 基于類給體第三組份的相分離調控技術

　　針對BTR/PCBM體系，設計合成出一例結構、吸收光譜、能級與BTR極其類似，但結晶性與其不同的新型給體BTR-OH，作為第三組份，并研究其對BTR/PCBM共混膜相分離狀態的影響規律。研究表明：第三組份的加入能有效調控原有兩組份的相分離狀態，提高相分離質量，從而降低電荷輸運過程中的復合概率，成功制備出效率高于10%的小分子厚膜電池（300nm），這為提升有機太陽能電池效率提供了一條新策略，相關研究成果發表到Advanced Science上（Adv. Sci. 2019, 1901613）。該研究工作的第一通訊單位為中國科學院重慶綠色智能技術研究院，第一作者為本團隊的博士生唐驊和徐同樂，通訊作者為本團隊的陸仕榮研究員、闞志鵬特聘研究員和香港理工大學的李剛教授。

　　c. 基于烷基取向的相分離調控技術

　　分子排布屬于相分離狀態蘊含的重要內容，但分子排布的精確調控充滿挑戰。本研究通過調控分子烷基鏈的取向實現了分子平面性的有效調控，從而達到精確調控分子排布及相分離狀態的目的，最終制備出效率12.3%的高效全小分子有機太陽能電池，為精確調控小分子排布及相分離提供了一條新策略，相關研究成果發表到Advanced Materials子刊Solar RRL上（Solar RRL, 2019: 1900326）。該研究工作的第一通訊單位為中國科學院重慶綠色智能技術研究院，第一作者為本團隊的碩士生董西悅和聯培博士楊可，通訊作者為本團隊的陸仕榮研究員、肖澤云研究員和重慶大學的孫寬研究員。

　　d. 基于端基工程的相分離調控技術

　　在全小分子有機太陽能電池中，研究了小分子給體的端位基團對其結晶性及相分離狀態的影響規律。研究表明：當采用ER（esterified rhodanine）為端位基團時，小分子給體BDT-RO的結晶性顯著提升，與小分子受體ITIC共混成膜時，相分離狀態顯著優化，最終制備出效率超過9%的全小分子電池，相關研究成果發表到J. Mater. Chem. A（J. Mater. Chem. A 2019, 7, 2541-2546）。該研究工作的第一通訊單位為中國科學院重慶綠色智能技術研究院，第一作者為本團隊的段泰男副研究員和博士生唐驊，通訊作者為本團隊的陸仕榮研究員和闞志鵬研究員。

　　（2） 高性價比小分子材料設計合成

　　a. 機器學習輔助設計高效率小分子給體材料

　　傳統高效光伏材料的研發通常是經“試錯法”完成，存在成本高、耗時長和成功率低等眾多缺陷。重慶大學孫寬課題組聯合本團隊開發出基于機器學習預測高效率小分子給體結構的新方法，預測準確率高達80%，且經實驗驗證。相對傳統的“試錯法”，“機器學習輔助設計法”具有高效快速和經濟實惠的優勢，將顯著加快高性能光伏材料的研發速度。相關研究成果發表在Science 子刊Science Advance上（Sci. Adv. 2019, 5 : eaay4275）。該研究工作的第一通訊單位為重慶大學，通訊作者為重慶大學孫寬研究員和本團隊的陸仕榮研究員、肖澤云研究員。

　　b. 高效廉價小分子受體材料設計與合成

　　材料合成成本是衡量材料性價比的關鍵因素。本團隊基于C-H鍵活化反應，以高達65%的總產率兩步合成出結構極簡的近紅外受體CPDT-4F，與給體材料PBDB-T結合制備出效率9.47%的常規電池和效率7.68%的半透明有機太陽能電池，相關研究成果發表到ACS applied materials & interfaces（ACS applied materials & interfaces, 2019, 11, 6717-6723）。該研究工作的第一通訊單位為中國科學院重慶綠色智能技術研究院，第一作者為本團隊的聯培碩士王凱麗和呂杰，通訊作者為本團隊的陸仕榮研究員、段泰男副研究員和闞志鵬特聘研究員。

　　團隊介紹：

　　團隊負責人：陸仕榮，中國科學院重慶綠色智能技術研究院研究員，博士生導師，國家海外高層次引進人才特聘專家，重慶市學術技術帶頭人，重慶市科技創新領軍人才，中國科學院大學重慶分院能源學院執行院長；2012年于日本東北大學獲得理學博士學位，之后到日本東北大學、美國加州大學洛杉磯分校和澳洲墨爾本大學從事博士后研究，師從Yang Yang教授、Andrew B. Holmes教授和山本嘉則教授，主要研究領域為有機太陽能電池材料與器件，和有機功能材料合成方法學，先后以第一作者/通訊作者在Joule, Nature Commun., Sci. Adv., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed.和Adv. Sci.等期刊發表論文二十余篇。

　　團隊骨干：肖澤云，中國科學院重慶綠色智能技術研究院研究員，博士生導師，中國科學院百人計劃技術英才，澳大利亞墨爾本大學Honorary Fellow。本科畢業于浙江大學，博士畢業于中國科學院上海有機化學研究所，之后在瑞典隆德大學、澳大利亞墨爾本大學開展研究工作。長期從事有機光電材料，超分子化學，高分子功能材料的研究。以（共同）一作/通訊作者在Joule，Nature Communications，Science Advances等期刊發表論文多篇。

　　團隊骨干：闞志鵬，中國科學院重慶綠色智能技術研究院特聘研究員，碩士生導師。博士畢業于意大利米蘭理工大學，師從激光物理學家Guglielmo Lanzani教授。之后到阿卜杜拉國王科技大學從事博士后研究工作，合作導師為超快光譜物理學家Frederic Laquai教授。2018年獲得中國科學院百人計劃項目支持。研究方向為有機光電器件與工作機理，已在Advanced Science，Angewandte Chemie International Edition，Journal of Materials Chemistry A，Solar RRL等著名雜志上發表SCI論文33篇，其中以第一/通訊作者發表論文11篇，影響因子10以上的論文5篇。

　　團隊骨干：段泰男，中國科學院重慶綠色智能技術研究院副研究員，中國科學院青年促進會成員。2013年于武漢大學獲得博士學位后，之后先后于臺灣清華大學、沙特阿卜杜拉國王科技大學以及丹麥奧爾堡大學從事博士后研究。2017年入職中國科學院重慶綠色智能技術研究院。近10年來，在有機光伏材料設計合成領域開展了系統的研究工作，研究成果以第一作者或通訊作者發表于J. Mater. Chem. A，ACS Applied Materials & Interfaces，J. Power Sources等期刊。主持國家自然科學基金委青年基金項目一項，中國科學院青年創新促進會人才項目1項，重慶市自然科學基金面上項目1項。