《有机光伏：从跟随到引领》课件

科学家精神胸怀祖国、服务人民的爱国精神勇攀高峰、敢为人先的创新精神追求真理、严谨治学的求实精神淡泊名利、潜心研究的奉献精神集智攻关、团结协作的协同精神甘为人梯、奖掖后学的育人精神干一行爱一行一科研感悟：人生感悟：成功之道热爱

+ 用心

+ 努力

+ 认真

=

成功热爱：

干一行爱一行（一）热爱是最好的老师。无论做什么工作，热爱是成功的先决条件。作为学生，应该热爱自己所学的课程；作为研究生，应该热爱自己的研究方向；作为教师，应该热爱自己的教学和科研工作。考入华东化工学院（现华东理工大学）抗菌素专业（现“生物工程”专业）1978年2月考入华东化工学院化学系物理化学专业读研究生1979年9月考取复旦大学化学专业博士，师从吴浩青院士，从事电化学嵌入反应的研究1983年3月“锂电池电极反应机理——电化学嵌入反应的研究”1987年获国家教委科技进步二等奖对锂离子电池的研究做出突出贡献的三位科学家获得2019年度诺贝尔化学奖约翰·B·古迪纳夫吉野彰M·斯坦利·威廷汉人的一生只有两个问题，第一问题，是找到一个问题，第二个问题，是把他解决掉。克拉伦斯·齐纳1986年8月考入中国科学院化学研究所继续攻读博士后，师从钱人元院士，进行导电聚合物电化学方面的研究1988年8月博士后出站留在中国科学院化学研究所工作，继续开展导电聚合物电化学的研究艾伦·黑格百川英树艾伦·G·马克迪尔米德对导电高分子做出突出贡献的三位科学家获得2000年度诺贝尔化学奖研究方向逐渐转向共轭聚合物光电子材料和器件方面，包括聚合物发光二极管和聚合物发光电化学池1997年2000年研究重点集中到聚合物太阳电池光伏材料和器件方面用心：勤动脑筋、用心做事（二）努力：

天道酬勤，

努力就会有好运（三）认真：认真助人成功（四）世界上怕就怕“认真”二字，共产党就最讲认真。毛泽东1957年11月17日在莫斯科接见中国留学生和实习生的讲话1957年11月，毛泽东主席访问苏联时在莫斯科大学接见中国留学生。为人“待人以诚”认真做事“一丝不苟”认真从跟随到引领二有机光伏：2021年3月15日，习近平在中央财经委员会第九次会议上的重要讲话实现碳达峰、碳中和是一场广泛而深刻的经济社会系统性变革，要把碳达峰、碳中和纳入生态文明建设整体布局，拿出抓铁有痕的劲头，如期实现2030年前碳达峰、2060年前碳中和的目标《中共中央

国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》到2030年，……非化石能源消费比重达到25%左右，风电、太阳能发电总装机容量达到12亿千瓦以上到2060年，绿色低碳循环发展的经济体系和清洁低碳安全高效的能源体系全面建立，能源利用效率达到国际先进水平，非化石能源消费比重达到80%以上石油17%煤炭58%天然气10%非化石能源15%水电8%可再生能源4%核能3%2020年我国一次能源消费结构展望太阳能利用的重要形式水力发电 风力发电间接太阳能利用直接太阳能利用太阳能热利用 太阳能光利用6CO2+6H2O（光照、叶绿体）→C6H12O6+6O2植物光合作用——最重要的化学反应太阳能电池（一）太阳能电池将太阳能直接转化成电能的装置包括单晶硅、多晶硅晶体硅太阳能电池无机半导体薄膜太阳能电池钙钛矿太阳能电池高效率低成本高稳定性晶体硅太阳能电池1实验室最高效率：27.3%商业化批量生产效率：>25%实验室最高效率：23.3%商业化批量生产效率：21%单晶硅太阳电池多晶硅太阳电池宁夏中卫市沙漠光伏产业园光伏电站安徽黄山市黄山区新丰乡安居村的光伏电站建筑与光伏系统相结合（BAPV）建筑与光伏器件相结合（BIPV）有机—无机杂化金属卤化物钙钛矿太阳电池2钙钛矿以俄罗斯矿物学家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：卤素阴离子（Cl-，Br-，I-）有机—无机杂化金属卤化物钙钛矿的化学式：ABX3有机—无机杂化金属卤化物钙钛矿材料的优点原料成本低、溶液加工、可制备成柔性器件高效率PerovskiteSiCIGSGaAs能带带隙（eV）1.5（可调）1.11.121.43光吸收系数（cm-1）104-5103104-5104-5载流子迁移率cm2/（V·s）~100for

e-and

h+~1400for

e-~450for

h+~20for

h+~100for

e-~8500for

e-~400for

h+载流子寿命>1μsms50–200ns<300ns扩散长度~200μm~5000μm<10μm~70μm有机—无机杂化金属卤化物钙钛矿半导体的特性钙钛矿材料同时具有激子束缚能小、扩散长度长、双极性传输等显著优点钙钛矿独特的能带结构使其具有高的缺陷容忍度，有利于光电器件的制备钙钛矿材料具有堪比砷化镓的优良的半导体特性，同时却具备可溶液加工特性，使其成本远低于传统半导体材料钙钛矿材料存在的问题缺陷结构稳定性构筑载流子输运效率高、缺陷少、稳定性好的活性层与界面层是实现高效率、高稳定性的钙钛矿太阳电池的核心。有机太阳能电池的发展（二）有机太阳电池的器件结构和关键材料常规结构负极负极修饰层反向结构100nm正极10nm正极修饰层100nm10nm负极修饰层100nm负极AIIT0电极基底活性层（给体/受体）正极修饰层正极光电转换过程吸光激子扩散激子电荷分离电荷传输电荷收集关键材料给体受体电极界面修饰层材料轻、薄、柔与硅太阳电池应用互补在便携能源、可穿戴、建筑一体化、室内太阳电池等方面具有重要的应用前景有机/聚合物太阳电池的优点吸收光谱：给体和受体光伏材料可见—近红外区吸收互补、活性层在可见—近红外区具有宽而强的吸收电子能级：给体和受体电子能级相匹配，既保证在给体/受体界面上激子的有效电荷分离，又达到具有最高的开路电压高效光伏材料需要具备的基本性质激子特性：小的束缚能和大的扩散长度电荷载流子迁移率：给体需要有高的空穴迁移率、受体需要有高的电子迁移率，并且最好给体/受体的迁移率能够平衡溶解性：这是溶液加工成膜的前提聚集和形貌：给体/受体能自组装形成纳米尺度相分离的给体/受体互穿网络结构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吸收光谱PCBM和PC71BM的吸收光谱对基于P3HT：PCBM有机太阳能电池的分析Voc：0.6V左右PCE：约3%~4%存在问题：吸收不够宽、能级不匹配富勒烯受体：只在短波长有吸收，能级难以调制聚合物给体：吸收不够宽、HOMO能级过高、空穴迁移率需要提升进一步如何设计超越P3HT和PCBM的高效有机光伏材料共轭聚合物给体：拓宽吸收、降低HOMO能级、提高空穴迁移率主链工程：D-A共聚侧链工程：共轭侧链、吸电子基团取代富勒烯衍生物受体：抬高LUMO能级，同时保持高的电子迁移率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引入共轭侧链拓宽吸收和提高空穴迁移率吸收光谱PolymersVoc（V）Isc（mA/cm2）FF（%）PCE（%）P10.667.11361.71P20.698.74432.57P30.7210.3433.18P3HT0.609.9412.41引入共轭侧链拓宽吸收和提高空穴迁移率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茚双加成上移C60衍生物受体材料的LUMO能级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%经过器件优化，基于P3HT：ICBA的器件PCE提升至6.48%茚双加成C70衍生物受体材料基于P3HT：IC70BA的器件效率提升至7.40%聚合物太阳能电池的发展（三）窄带隙有机小分子受体光伏材料与窄带隙有机小分子受体匹配的低成本高效聚合物给体光伏材料窄带隙有机小分子受体高分子化的聚合物受体光伏材料和全聚合物太阳电池基于小分子受体的巨分子受体光伏材料窄带隙有机小分子受体光伏材料1A-D-A型窄带隙小分子受体（SMA）光伏材料ITICLUMO

HOMO（eV）

（eV）-3.83

-5.48PTB7-Th

-3.59 -5.20侧链异构化进一步提高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结构窄带隙有机小分子受体基于PM6:Y6（1:1.2，w/w）的聚合物太阳电池PCE=15.7%基于PM:SMA不同溶剂处理的PSC的光伏性能A-DA’D-A结构SMA内侧链末端引入苯环用于非卤溶剂加工的受体光伏材料SMA受体溶剂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顶端酯基取代基对其光伏性能的影响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顶部取代基对窄带隙SMA光伏性能的影响与窄带隙有机小分子受体匹配的高效聚合物给体光伏材料2高效率、低成本和高稳定性是实现有机/聚合物太阳电池实际应用的前提和关键。PTQ10是一种结构简单的D-A共聚物，其中噻吩环作为给体单元、喹喔啉作为受体单元。使用新型受体、基于PTQ10为给体的二元聚合物太阳电池PCE达到18.55%。基于PTQ10给体的三元聚合物太阳电池PCE达到19.34%。窄带隙有机小分子受体高分子化的聚合物受体光伏材料和全聚合物太阳电池3全聚合物太阳电池拥有成膜性、柔韧性和稳定性好的突出优点，最有希望在柔性聚合物太阳电池中获得应用。聚合物受体在长波长的吸收系数太弱限制了all-PSC短路电流和效率的提高。据此提出了窄带隙强吸收的小分子受体高分子化制备高效聚合物受体的策略。将IDIC与噻吩单元共聚，合成了强吸收的聚合物受体PZ1PSMA的激子束缚能较其对应的SMA的激子束缚能有所降低工程前沿研究新型高性能陶瓷储能材料及电容器CO2合成多碳平台化合物核制氢耦合冶金技术研究高性能聚合物受体及其在柔性全聚合物太阳能电池中的应用低碳高效先进气体分离纯化材料设计和应用半导体光存储材料遇器件研究快速自愈合高分子材料设计多相微观界面演变行为新型智能生物材料仿生设计与材料生物学理论极地船舶用低温钢等关键材料的研究高催化活性纳米酶的设计与应用兼具小分子的确定分子量和批次重复性好、以及聚合物的成膜性和稳定性好的优点基于小分子受体的巨分子受体光伏材料分子构型对巨分子受体光伏性能的影响基于宽带隙钙钛矿前结/窄带隙有机后结的叠层太阳电池4以宽带隙钙钛矿为前结、窄带隙有机太阳电池为后结的钙钛矿/有机叠层太阳电池，稳定性优于单结钙钛矿和单结有机太阳电池，效率可超过单结钙钛矿太阳电池。p-i-n结构叠层器件前结：宽带隙钙钛矿层FA