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近日，西安科技大學(xué)在有機太陽能電池研究領(lǐng)域取得突破性研究進展。材料學(xué)院李宇翔副教授課題組與歐洲科學(xué)院院士、香港城市大學(xué)任廣禹教授團隊合作，對規(guī)整窄帶隙聚合物受體材料設(shè)計、合成及其在全聚合物有機太陽能電池應(yīng)用進行了研究，并獲得了創(chuàng)紀(jì)錄的全聚合物太陽能電池轉(zhuǎn)化效率15.8%，為當(dāng)前報道的最高效率值。

創(chuàng)紀(jì)錄 全聚合物太陽能電池轉(zhuǎn)化效率達最高效率值

日前，《Journal of the American Chemical Society》（美國化學(xué)會志）發(fā)表題為“High Efficiency (15.8%) All-Polymer Solar Cells Enabled by a Regioregular Narrow Bandgap Polymer Acceptor”的研究成果，西安科技大學(xué)李宇翔副教授和香港城市大學(xué)任廣禹教授為通訊作者。這一突破性的研究成果被國內(nèi)多家媒體與平臺報道(如X-MOL資訊、高分子科學(xué)前沿、知光谷、材料科訊、高分子科技等)，也受到該領(lǐng)域國內(nèi)外同行們的廣泛關(guān)注與高度評價。

聚合物太陽能電池(PSCs)作為一種綠色清潔的光電轉(zhuǎn)換技術(shù)，具有質(zhì)輕、成本低、可實現(xiàn)半透明和柔性大面積印刷制備等優(yōu)點，成為新型清潔能源領(lǐng)域的一個重要研究方向, 受到學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注。近兩年，得益于稠環(huán)類小分子受體 (SMAs)材料的快速發(fā)展，PSCs已實現(xiàn)超過18%的能量轉(zhuǎn)換效率 (PCE)，為有機光伏的大規(guī)模生產(chǎn)和商業(yè)化應(yīng)用帶來了巨大信心和動力。相較于SMAs基PSCs，全聚合物太陽能電池 (all-PSCs，電子給體和電子受體皆為聚合物半導(dǎo)體)則擁有更為優(yōu)異的形貌穩(wěn)定性和機械耐久性，在柔性、可穿戴電子器件領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。然而，受限于高性能聚合物受體材料的匱乏，目前all-PSCs的器件效率卻遠滯后于基于SMAs的PSCs。

新型高效區(qū)域規(guī)整聚合物受體PZT-γ的設(shè)計思路示意圖

近期，“SMAs聚合化”設(shè)計策略的提出推動了一系列新型聚合物受體材料的開發(fā)，使得all-PSCs的效率得到大幅提升。盡管如此，現(xiàn)有的該類聚合物受體面臨在近紅外區(qū)域光捕獲能力不足，相應(yīng)的all-PSCs器件能量損失較大等問題，由此制約了all-PSCs的進一步發(fā)展。另一方面，“SMAs聚合化”策略通常采用的端基普遍存在異構(gòu)體(IC-Br-γ和IC-Br-δ)，導(dǎo)致聚合過程中反應(yīng)位點的不確定性，進而引發(fā)聚合物產(chǎn)物出現(xiàn)區(qū)域異構(gòu)問題。

基于苯并三氮唑稠環(huán)小分子的區(qū)域規(guī)整窄帶隙聚合物受體PZT-γ及創(chuàng)紀(jì)錄的全聚合物太陽能電池性能(PCE=15.8%)

針對以上問題，西安科技大學(xué)李宇翔副教授與香港城市大學(xué)任廣禹教授研究團隊合作提出采用結(jié)構(gòu)調(diào)整與規(guī)整控制的設(shè)計策略，構(gòu)建了基于弱缺電子單元-苯并三氮唑(BTz)稠環(huán)中心核的窄帶隙聚合物受體PZT和PZT-γ，并系統(tǒng)研究了all-PSCs的光伏性能。研究證明：結(jié)構(gòu)調(diào)整和規(guī)整控制使新型聚合物受體PZT-γ實現(xiàn)了較強的近紅外光吸收(~920 nm)和獨特的分子主鏈堆積特性。最終，基于PZT-γ的all-PSCs取得了高達24.7 mA/cm2的短路電流密度和低至0.51 eV的能量損失, 其PCE躍至15.8% (當(dāng)前報道的all-PSCs的效率最高值)。該研究為設(shè)計高效聚合物受體材料提供了新的思路和方向。

新突破 發(fā)表首篇高水平高質(zhì)量研究成果

2020年6月，美國化學(xué)會ACS Applied Materials & Interfaces (SCI一區(qū)top期刊，影響因子8.456) 以“Towards Efficient All-Polymer Solar Cells via Halogenation on Polymer Acceptor”為題，報道了材料學(xué)院秦紅梅、李宇翔副教授研究團隊在全聚合物太陽能電池(all-PSCs)材料與器件方面的研究成果，該研究通過采用鹵素修飾骨架結(jié)構(gòu)的策略，構(gòu)建了3種基于“小分子聚合化”的新型聚合物受體材料并應(yīng)用于全聚合物太陽能電池研究。

不同鹵素修飾的新型聚合物受體及相應(yīng)的電子傳輸性能與結(jié)晶特性

該研究發(fā)現(xiàn)鹵素修飾的π-橋單元并沒有對此類聚合物受體材料的光學(xué)帶隙和能級結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，但可以改善電荷傳輸特性和混合薄膜結(jié)晶度。最終，基于聚合物受體PIDIC-2T2Cl (氯化修飾)的all-PSCs實現(xiàn)了7.5%的能量轉(zhuǎn)化效率，對比結(jié)果證明鹵素修飾的構(gòu)建方式能夠進一步優(yōu)化此類聚合物受體，從而提升all-PSCs性能。該研究是西安科技大學(xué)材料學(xué)院有機光電材料研究所成立以來的首篇高水平高質(zhì)量研究成果。

好成果 成長路碩果累累

此次研究成果的發(fā)布已經(jīng)不是李宇翔的第一次發(fā)表高水平研究了，1988年出生的李宇翔，從小就是人們眼中“別人家的孩子”，一路品學(xué)兼優(yōu)。博士從韓國國立釜山大學(xué)高分子化學(xué)專業(yè)畢業(yè)后，來到西安科技大學(xué)材料學(xué)院任教，依托西安科技大學(xué)材料學(xué)院成立有機光電材料研究所。先后公開發(fā)表國內(nèi)外高水平SCI論文20余篇，以第一作者/通訊作者發(fā)表論文11篇，其中中科院一區(qū)Top期刊論文10篇。所發(fā)表的研究成果受到了國內(nèi)外同行的關(guān)注，多次受邀參加美國材料學(xué)會 (MRS)、美國SPIE2015及國際ICSM2016學(xué)術(shù)會議，并做學(xué)術(shù)報告。先后獲得并主持國家“香江學(xué)者計劃”、陜西省自然科學(xué)基金-青年項目、西安科技大學(xué)優(yōu)秀青年科技基金項目等。

生活中的李宇翔性格比較隨和，與同事相處融洽，與學(xué)生亦師亦友，傾心盡力指導(dǎo)學(xué)生?！霸谖冶究飘厴I(yè)設(shè)計的時候，李老師耐心、認(rèn)真和負(fù)責(zé)的指導(dǎo)態(tài)度給我們留下了深刻印象。畢業(yè)設(shè)計實驗中，他幾乎手把手教導(dǎo)我們，還記得他幽默又生動的一句話讓我至今難忘，他說‘硅膠柱就是你們的男朋友或者女朋友’。意思是，每位從事有機合成研究的工作者，天天與硅膠柱（提純產(chǎn)物的方法）打交道的，只有對硅膠柱付出耐心和熱情，提純實驗才會順利?！?018級研究生王英英對導(dǎo)師的這句話記憶猶新，他對科研工作的熱愛與執(zhí)著影響著他的每一位學(xué)生。

孔雨欣是去年才上的研究生，短短一年的時間，給他留下深刻印象的是每周的組會李老師都會按時參加，認(rèn)真的聆聽每個學(xué)生的工作進展和文獻報告，然后針對實驗工作中的問題給出明確有效的解決方案，并很耐心的給我們講解不懂的知識點?！斑@樣的周會幫助我在科研上有了快速地成長。李老師的言傳身教也讓我在為人處事上有了很大進步?！?/p>

2019年度“香江學(xué)者計劃”發(fā)布，全國共60人入選該計劃，李宇翔位列其中。目前，李宇翔依托國家“香江學(xué)者計劃”項目與香港城市大學(xué)Prof. Alex K.-Y. Jen 團隊進行合作，致力于新型窄帶隙聚合物受體材料的設(shè)計、合成與光伏性能等研究，力爭發(fā)展一種高效率、優(yōu)秀機械性能和長期穩(wěn)定性的全聚合物太陽能電池器件，推動此類電池在柔性、可穿戴以及便捷式電子領(lǐng)域的應(yīng)用。