《有機(jī)光伏：從跟隨到引領(lǐng)》課件

科學(xué)家精神胸懷祖國(guó)、服務(wù)人民的愛國(guó)精神勇攀高峰、敢為人先的創(chuàng)新精神追求真理、嚴(yán)謹(jǐn)治學(xué)的求實(shí)精神淡泊名利、潛心研究的奉獻(xiàn)精神集智攻關(guān)、團(tuán)結(jié)協(xié)作的協(xié)同精神甘為人梯、獎(jiǎng)掖后學(xué)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(rèn)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(xué)生，應(yīng)該熱愛自己所學(xué)的課程；作為研究生，應(yīng)該熱愛自己的研究方向；作為教師，應(yīng)該熱愛自己的教學(xué)和科研工作?？既肴A東化工學(xué)院（現(xiàn)華東理工大學(xué)）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(xué)院化學(xué)系物理化學(xué)專業(yè)讀研究生1979年9月考取復(fù)旦大學(xué)化學(xué)專業(yè)博士，師從吳浩青院士，從事電化學(xué)嵌入反應(yīng)的研究1983年3月“鋰電池電極反應(yīng)機(jī)理——電化學(xué)嵌入反應(yīng)的研究”1987年獲國(guó)家教委科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)對(duì)鋰離子電池的研究做出突出貢獻(xiàn)的三位科學(xué)家獲得2019年度諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)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(gè)問題，第一問題，是找到一個(gè)問題，第二個(gè)問題，是把他解決掉?？死瓊愃埂R納1986年8月考入中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所繼續(xù)攻讀博士后，師從錢人元院士，進(jìn)行導(dǎo)電聚合物電化學(xué)方面的研究1988年8月博士后出站留在中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所工作，繼續(xù)開展導(dǎo)電聚合物電化學(xué)的研究艾倫·黑格百川英樹艾倫·G·馬克迪爾米德對(duì)導(dǎo)電高分子做出突出貢獻(xiàn)的三位科學(xué)家獲得2000年度諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)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(xué)池1997年2000年研究重點(diǎn)集中到聚合物太陽(yáng)電池光伏材料和器件方面用心：勤動(dòng)腦筋、用心做事（二）努力：

天道酬勤，

努力就會(huì)有好運(yùn)（三）認(rèn)真：認(rèn)真助人成功（四）世界上怕就怕“認(rèn)真”二字，共產(chǎn)黨就最講認(rèn)真。毛澤東1957年11月17日在莫斯科接見中國(guó)留學(xué)生和實(shí)習(xí)生的講話1957年11月，毛澤東主席訪問蘇聯(lián)時(shí)在莫斯科大學(xué)接見中國(guó)留學(xué)生。為人“待人以誠(chéng)”認(rèn)真做事“一絲不茍”認(rèn)真從跟隨到引領(lǐng)二有機(jī)光伏：2021年3月15日，習(xí)近平在中央財(cái)經(jīng)委員會(huì)第九次會(huì)議上的重要講話實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和是一場(chǎng)廣泛而深刻的經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng)性變革，要把碳達(dá)峰、碳中和納入生態(tài)文明建設(shè)整體布局，拿出抓鐵有痕的勁頭，如期實(shí)現(xiàn)2030年前碳達(dá)峰、2060年前碳中和的目標(biāo)《中共中央

國(guó)務(wù)院關(guān)于完整準(zhǔn)確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達(dá)峰碳中和工作的意見》到2030年，……非化石能源消費(fèi)比重達(dá)到25%左右，風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電總裝機(jī)容量達(dá)到12億千瓦以上到2060年，綠色低碳循環(huán)發(fā)展的經(jīng)濟(jì)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(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，非化石能源消費(fèi)比重達(dá)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(guó)一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)展望太陽(yáng)能利用的重要形式水力發(fā)電 風(fēng)力發(fā)電間接太陽(yáng)能利用直接太陽(yáng)能利用太陽(yáng)能熱利用 太陽(yáng)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(xué)反應(yīng)太陽(yáng)能電池（一）太陽(yáng)能電池將太陽(yáng)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(yáng)能電池?zé)o機(jī)半導(dǎo)體薄膜太陽(yáng)能電池鈣鈦礦太陽(yáng)能電池高效率低成本高穩(wěn)定性晶體硅太陽(yáng)能電池1實(shí)驗(yàn)室最高效率：27.3%商業(yè)化批量生產(chǎn)效率：>25%實(shí)驗(yàn)室最高效率：23.3%商業(yè)化批量生產(chǎn)效率：21%單晶硅太陽(yáng)電池多晶硅太陽(yáng)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(jié)合（BAPV）建筑與光伏器件相結(jié)合（BIPV）有機(jī)—無機(jī)雜化金屬鹵化物鈣鈦礦太陽(yáng)電池2鈣鈦礦以俄羅斯礦物學(xué)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(jī)—無機(jī)雜化金屬鹵化物鈣鈦礦的化學(xué)式：ABX3有機(jī)—無機(jī)雜化金屬鹵化物鈣鈦礦材料的優(yōu)點(diǎn)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(kuò)散長(zhǎng)度~200μm~5000μm<10μm~70μm有機(jī)—無機(jī)雜化金屬鹵化物鈣鈦礦半導(dǎo)體的特性鈣鈦礦材料同時(shí)具有激子束縛能小、擴(kuò)散長(zhǎng)度長(zhǎng)、雙極性傳輸?shù)蕊@著優(yōu)點(diǎn)鈣鈦礦獨(dú)特的能帶結(jié)構(gòu)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(dǎo)體特性，同時(shí)卻具備可溶液加工特性，使其成本遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料鈣鈦礦材料存在的問題缺陷結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性構(gòu)筑載流子輸運(yùn)效率高、缺陷少、穩(wěn)定性好的活性層與界面層是實(shí)現(xiàn)高效率、高穩(wěn)定性的鈣鈦礦太陽(yáng)電池的核心。有機(jī)太陽(yáng)能電池的發(fā)展（二）有機(jī)太陽(yáng)電池的器件結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵材料常規(guī)結(jié)構(gòu)負(fù)極負(fù)極修飾層反向結(jié)構(gòu)100nm正極10nm正極修飾層100nm10nm負(fù)極修飾層100nm負(fù)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(kuò)散激子電荷分離電荷傳輸電荷收集關(guān)鍵材料給體受體電極界面修飾層材料輕、薄、柔與硅太陽(yáng)電池應(yīng)用互補(bǔ)在便攜能源、可穿戴、建筑一體化、室內(nèi)太陽(yáng)電池等方面具有重要的應(yīng)用前景有機(jī)/聚合物太陽(yáng)電池的優(yōu)點(diǎn)吸收光譜：給體和受體光伏材料可見—近紅外區(qū)吸收互補(bǔ)、活性層在可見—近紅外區(qū)具有寬而強(qiáng)的吸收電子能級(jí)：給體和受體電子能級(jí)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(dá)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(kuò)散長(zhǎng)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(luò)結(jié)構(gòu)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(duì)基于P3HT：PCBM有機(jī)太陽(yáng)能電池的分析Voc：0.6V左右PCE：約3%~4%存在問題：吸收不夠?qū)?、能?jí)不匹配富勒烯受體：只在短波長(zhǎng)有吸收，能級(jí)難以調(diào)制聚合物給體：吸收不夠?qū)?、HOMO能級(jí)過高、空穴遷移率需要提升進(jìn)一步如何設(shè)計(jì)超越P3HT和PCBM的高效有機(jī)光伏材料共軛聚合物給體：拓寬吸收、降低HOMO能級(jí)、提高空穴遷移率主鏈工程：D-A共聚側(cè)鏈工程：共軛側(cè)鏈、吸電子基團(tuán)取代富勒烯衍生物受體：抬高LUMO能級(jí)，同時(shí)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(cè)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(cè)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(jí)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(yáng)能電池的發(fā)展（三）窄帶隙有機(jī)小分子受體光伏材料與窄帶隙有機(jī)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(jī)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(yáng)電池基于小分子受體的巨分子受體光伏材料窄帶隙有機(jī)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(cè)鏈異構(gòu)化進(jìn)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(jié)構(gòu)窄帶隙有機(jī)小分子受體基于PM6:Y6（1:1.2，w/w）的聚合物太陽(yáng)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(jié)構(gòu)SMA內(nèi)側(cè)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(duì)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(duì)窄帶隙SMA光伏性能的影響與窄帶隙有機(jī)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(shí)現(xiàn)有機(jī)/聚合物太陽(yáng)電池實(shí)際應(yīng)用的前提和關(guān)鍵。PTQ10是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(yáng)電池PCE達(dá)到18.55%?；赑TQ10給體的三元聚合物太陽(yáng)電池PCE達(dá)到19.34%。窄帶隙有機(jī)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(yáng)電池3全聚合物太陽(yáng)電池?fù)碛谐赡ば?、柔韌性和穩(wěn)定性好的突出優(yōu)點(diǎn)，最有希望在柔性聚合物太陽(yáng)電池中獲得應(yīng)用。聚合物受體在長(zhǎng)波長(zhǎng)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(qiáng)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(qiáng)吸收的聚合物受體PZ1PSMA的激子束縛能較其對(duì)應(yīng)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(chǔ)能材料及電容器CO2合成多碳平臺(tái)化合物核制氫耦合冶金技術(shù)研究高性能聚合物受體及其在柔性全聚合物太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用低碳高效先進(jìn)氣體分離純化材料設(shè)計(jì)和應(yīng)用半導(dǎo)體光存儲(chǔ)材料遇器件研究快速自愈合高分子材料設(shè)計(jì)多相微觀界面演變行為新型智能生物材料仿生設(shè)計(jì)與材料生物學(xué)理論極地船舶用低溫鋼等關(guān)鍵材料的研究高催化活性納米酶的設(shè)計(jì)與應(yīng)用兼具小分子的確定分子量和批次重復(fù)性好、以及聚合物的成膜性和穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)基于小分子受體的巨分子受體光伏材料分子構(gòu)型對(duì)巨分子受體光伏性能的影響基于寬帶隙鈣鈦礦前結(jié)/窄帶隙有機(jī)后結(jié)的疊層太陽(yáng)電池4以寬帶隙鈣鈦礦為前結(jié)、窄帶隙有機(jī)太陽(yáng)電池為后結(jié)的鈣鈦礦/有機(jī)疊層太陽(yáng)電池，穩(wěn)定性優(yōu)于單結(jié)鈣鈦礦和單結(jié)有機(jī)太陽(yáng)電池，效率可超過單結(jié)鈣鈦礦太陽(yáng)電池。p-i-n結(jié)構(gòu)疊層器件前結(jié)：寬帶隙鈣鈦礦層FA