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华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室工作简报2017年第1期(总第38期)

时间:2017-04-11 11:19      发布人:何秋云      阅读:549

华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室工作简报2017年第1期(总第38期)发光材料与器件国家重点实验室工作简报2017年第1期(总第38期)

摘要:

发光材料与器件国家重点实验室承担的大功率光纤激光材料与器件国重项目率先制定总体研发技术方案

2月26日,科技部高技术中心在华南理工大学召开了年度战略性先进电子材料重点专项管理工作会暨第二次总体专家组工作会。国家科技部高技术中心推出以总体研发技术方案为抓手的项目管理模式,保障专项任务顺利实施和任务目标实现。学校副校长朱敏,广东省科技厅副厅长杨军,科技部相关负责人,战略性先进电子材料重点专项总体专家组全体专家和立项项目负责人出席会议。

发光材料与器件国家重点实验室牵头的“大功率激光材料与器件关键技术”项目组积极响应,率先制定了总体研发技术方案,并进行大量论证。杨中民教授作为“战略性先进电子材料”重点专项项目负责人代表,汇报了华南理工大学承担的“大功率激光材料与器件关键技术”总体研发技术方案。该方案对项目的研究目标、技术路线、课题分解以及考核指标等进行了大量论证,对实施进度及风险有严格把控。

在2月19日,“大功率光纤激光材料与器件关键技术研究”总体研发技术方案论证会已在华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室召开。该项目中央财政经费4500万元,于2016年正式启动,现已全面进入实施阶段。目前,项目各课题研究有序开展,合作单位沟通良好,第一阶段年度工作已全部达标,将努力高质量高标准完成其它各项任务指标。

发光材料与器件国家重点实验室参与共建广东省印刷及柔性显示创新中心

1月22日,广东省印刷及柔性显示创新中心成立大会暨战略合作伙伴签约仪式在广州举行。广东省副省长袁宝成,工业和信息化部电子司副司长彭红兵,广东省经济信息化委员会党组书记涂高坤,TCL集团董事长李东生,以及相关企业界人士、高校专家学者出席会议,华南理工大学科技处马卫华处长、发光材料与器件国家重点实验室彭俊彪教授参加了会议。

广东省印刷及柔性显示创新中心是广东省第一家制造业创新中心,位于广州市萝岗区科学城的显示产业园区,规划建筑面积近15万平方米。中心以建设G4.5印刷OLED研发公共开发平台及印刷显示产业园为基础,攻克印刷显示产业的前沿与共性关键技术,转移并扩散重大科技成果,构建一个从基础到应用及成果转化完整的印刷显示技术创新体系,成为产业重大共性关键技术的供给源头及区域产业集聚发展的创新高地。

作为主要共建单位之一,华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室面向国家重大需求和学科前沿,开展有机高分子发光显示共性基础科学问题与关键技术研究,在新型OLED显示技术方面有强大的研发基础,研发出了基于自主创新的稀土掺杂氧化物TFT技术的中国第一块全彩色、透明、触控AMOLED显示屏,研制了中国第一块彩色柔性AMOLED显示屏等,这类显示屏因其超薄和出色的显示效果备受关注。华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室的参与共建,将为中心的建设发展提供强有力的技术支撑和人才保证。

发光材料与器件国家重点实验室4人入选爱思唯尔2016年中国高被引学者榜单

2月27日,爱思唯尔(Elsevier)发布了2016年中国高被引学者(Most Cited Chinese Researchers)榜单,华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室共有曹镛、吴宏滨、黄飞、邱建荣4名学者入围。

2016年中国高被引学者榜单的研究数据来自爱思唯尔旗下的Scopus数据库。Scopus是全球最大的同行评议学术论文索引摘要数据库,提供了海量的与科研活动有关的文献、作者和研究机构数据,使得对中国学者的世界影响力进行科学的分析和评价成为可能。2016年中国高被引学者榜单采用上海软科教育信息咨询有限公司开发的方法和标准,基于客观引用数据对中国研究者在世界范围内的影响力进行了系统的分析。爱思唯尔作为合作方,为该榜单研究提供了数据支持和技术实现。今年的高被引学者名单中,中国内地38个学科中共有1776名高被引学者入围。

彭俊彪教授参加省政协会议建言献策

1月17-20日,中国人民政治协商会议第十一届广东省委员会第五次会议召开,彭俊彪教授作为省政协委员出席了会议。会议期间,彭俊彪教授围绕广东省经济社会发展的重大问题和民生热点问题,提出了有价值的意见和建议。

实验室一项目获广东大学生科技创新培育专项资金资助

2月22日,由广东团省委、广东省财政厅设立的2017年广东大学生科技创新培育专项资金(攀登计划专项资金)立项项目和分配方案公布,发光材料与器件国家重点实验室一项目“原位激活式光声造影剂的制备及其在诊断/病理分析中的应用探讨”(项目负责人武英龙,指导教师吴水珠教授)获得重点项目资助,项目经费6万元。

发光材料与器件国家重点实验室人才简介:朱旭辉教授

朱旭辉教授先后在安徽大学、南京大学获得学士、硕士、博士学位,曾在德国、法国、复旦大学从事博士后研究。2005年加入华南理工大学工作至今。目前主持承担NSFC-广东联合基金重点项目(2014-2017,260 万)、科技部国家重点研发计划《战略性先进电子材料》专项“高效大面积OLED照明器件制备的关键技术及生产示范”课题“材料开发及器件与界面工程”(2016-2020,725万)、以及东莞市重大科技项目(2017-2019, 500 万,华南理工大学团队负责人)等;承担项目总经费约1800万元;2006年,入选教育部新世纪优秀人才支持计划;2016年度科技部重点领域创新团队“有机高分子显示和照明材料与器件”核心成员。他发展了高性能菲咯啉基有机分子电子传输材料,可为OLED、OPV器件提供自主关键功能材料,已与企业合作实现其量产与应用。

近年来,面向有机发光二极管以及有机光伏器件对于有机光电材料的需求,朱旭辉教授研究组重点关注有机分子材料的设计制备与应用,取得以下进展:

  • 以三(芳基)磷氧基修饰,发展了结构简单、易合成制备的高Tg菲咯啉衍生物Phen-NaDPO与Phen-m-PhDPO,可为(印刷)OLED/OPV器件,提供自主高性能电子传输材料;由此制备出具有国际前沿水平的高效率、高稳定性TTA型天蓝光荧光OLED器件(16 cd/A, 13 lm/W @1000 cd/m2 & t90 ≈ 200 h @1000 cd/m2)。

该系列菲咯啉衍生物分子设计,有利于合成纯化,消除含卤素原料3-溴-1,10-菲咯啉。未经升华,即得分析纯样品;HPLC检测,未发现其他杂质组分。C. Adachi等指出,有机电子传输材料中含氯量即使为9 ppm,对于器件稳定性也产生致命影响(Appl Phys Lett 2016, 109, 243302)。

新近,基于高迁移率菲咯啉基电子传输层材料,获得高稳定红光磷光器件(Bebq2: Ir(MDQ)2(acac)):t95 > 142 h @ 2000 cd/m2; 突破学术界对于有机磷氧基材料在光电器件中的形貌与化学稳定性长期存在的疑虑。

  • 提出改善非晶态“炔键”体系有机分子给体材料的结晶性,增加相纯度,减少双分子复合,有效提升有机小分子OPV器件效率的新思路; 注重“环境友好”制备有机材料的合成方法。未利用高沸点溶剂添加剂以及溶剂蒸气退火,溶液加工有机小分子倒装OPV器件平均光电转化效率达到7%,为同类器件最好水平;克服了“结晶性”有机小分子给体材料,因受热形貌不稳定,器件效率易大幅下降的弱点。
  • 设计合成高PL效率、新颖电子传输特性的高Tg有机电致红光荧光材料。通过合作研究,揭示了三重态激子参与电致发光过程,以及在高电流密度下,保持电流效率稳定的机制;发现在溶液、薄膜、纳米粒子状态,呈现高效率有机电化学红光,并且属于为数甚少,优于9,10-二苯基蒽的电化学发光材料;实现了PMMA光纤通信窗口650 nm光泵浦有机固态激光发射;利用喷墨打印技术,制备出平整、均匀的有机小分子发光薄膜。

上述工作,发表于Adv Mater,Adv Funct Mater,Adv Electron Mater,Solar RRL等国际知名期刊,作为亮点多次在Wiley中国网站“MaterialsViewsChina”(2015/12/1; 2016/6/8; 2016/12/12),以及国际行业平台OSAdirect报道(www.osadirect.Com, 2016/5/5),后者重点关注工业界感兴趣的有机光电领域进展;受邀撰写OLED有机分子发光材料综述(Chem Soc Rev 2011, 40, 3509)与OPV有机阴极界面材料专著章节, Wiley出版社。近5年,授权发明专利6项,国内外学术邀请报告/分会主席约15次,论文他引600余次。

课题组网页:www.skllmd.com/zhuxuhui

https://www.researchgate.net/profile/Xu-hui_Zhu

 

发光材料与器件国家重点实验室主要研究进展介绍

  1. 窄带隙区域规整共轭聚合物在有机电子器件中的应用(黄飞课题组)

有机半导体聚合物具有电子离域的π-共轭主链,可以通过低成本溶液加工方法制备柔性、大面积有机电子器件等突出优势,广泛应用于有机发光显示、聚合物太阳电池、有机场效应晶体管及传感器等领域。近年来,通过对窄带隙半导体聚合物的分子设计及改性,其光电转换效率及载流子迁移率等性能大幅提高。最近的研究表明,对于含有不对称结构的共轭单元,通过控制共轭聚合物主链及侧链的区域规整性可以实现调控聚合物的分子构象、光吸收、电子结构及在薄膜状态下的聚集态特性。

最近,华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室的应磊副教授和黄飞教授应邀撰写综述,与加州大学圣塔巴巴贝拉分校Bazan教授合作总结了文献中代表性的含有不对称结构单元的共轭聚合物,包括经典的P3HT、PBTTT以及含有吡啶并噻二唑(PT)单元的共轭聚合物(如图1所示),结合材料设计与合成及其在聚合物场效应晶体管及聚合物太阳电池中的应用,详细总结了如何通过区域规整化学的方法调节单体单元在聚合物主链中的构象及排布,从而实现对共轭聚合物光电性能的有效调控,为发展新型高性能半导体聚合物材料提出了思路。

相关综述内容以《Regioregular narrow-bandgap-conjugated polymers for plastic electronics》为题,发表在Nature Communications(Nat. Commun. 2017, 8, 14047 doi: 10.1038/ncomms14047)上,作者为Lei Ying (应磊), Fei Huang (黄飞)*, Guillermo C. Bazan*。相关工作得到了国家科技部,国家自然科学基金和广东省科技厅的资助。

 

  1. 引入液晶小分子实现高效厚膜三元有机太阳电池(黄飞课题组)

有机聚合物太阳能电池因其具有全固态、光伏材料性质可调范围宽、可实现半透明、可制成柔性器件以及可采用卷对卷印刷工艺大面积、低成本制备等突出优点而引起了广泛关注并得到了快速发展。其中三元有机太阳电池作为一种有效提高电池器件效率的办法也成为有机聚合物太阳能电池研究中的一个热点。一般情况下,在三元有机太阳电池中第三组分的引入是为了拓宽器件的吸收光谱来增加对太阳光的吸收和利用从而提高器件效率。然而,目前报导的绝大部分三元有机太阳电池中活性层(吸光层)的厚度都只有100 nm左右。这很大程度上限制了器件短路电流的提高,因为100 nm厚的活性层并不能实现对太阳光的有效吸收。此外,未来卷对卷大面积印刷的生产方式也要求电池活性层在比较大的厚度范围下具有较好的性能,而100 nm的厚度远不能满足卷对卷大规模的生产的需要。

为了解决这一问题,最近华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室黄飞教授课题组通过引入液晶小分子(BTR)的第三组分巧妙地实现了高效率(11.40%)厚膜的三元有机太阳电池器件(见图1)。该研究通过在目前比较高效的PTB7-Th:PC71BM体系中引入具有高空穴迁移率的液晶小分子(BTR)第三组分改善了活性层的形貌和大幅度的提高可空穴迁移率,从而使得原来活性层最优厚度为100纳米的PTB7-Th:PC71BM体系的最优厚度可以增加到250纳米(见图1),并且在采用反向的器件结构时,效率进一步提高到11.40%。进一步通过实验手段证明了,BTR的引入能减小活性层π-π堆积的距离,增大相干长度(coherence length)和提高PTB7-Th的相区纯度,从而加快了电荷的传输减小的电荷的双分子复合。另外将BTR引入不含BDT单元的聚合物PCDTBT和PC71BM的二元体系中,发现三元体系的厚膜器件依然可以获得较高的效率。因此,该研究证明了通过引入高迁移率的液晶小分子作为第三组分是一种实现高效厚膜三元有机太阳电池的有效途径,这对以后发展高效的适合卷对卷大规模生产的有机光伏材料和器件具有重要的借鉴意义。

相关成果以《High-Performance Ternary Organic Solar Cell Enabled by a Thick Active Layer Containing a Liquid Crystalline Small Molecule Donor》为题,发表在Journal of the American Chemical SocietyJ. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 2387−2395, DOI: 10.1021/jacs.6b11991),作者为Guichuan Zhang (张桂传), Kai Zhang (张凯), Qingwu Yin (殷庆武), Xiao-Fang Jiang (姜小芳), Zaiyu Wang (王再禹), Jingming Xin (辛景明), Wei Ma (马伟), He Yan (颜河), Fei Huang (黄飞)*, and Yong Cao (曹镛)。

 

  1. 光电导复合电极材料(解增旗课题组)

近期,基于华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室解增旗教授研究组首次提出“光电导界面”的新概念,深入探讨光电导复合电极材料的工作机制,以及使用光电导复合电极材料大幅度提高有机/聚合物太阳能电池器效率等系统的工作,能源材料领域重要杂志《先进能源材料》邀请撰写研究新闻(Research News),解增旗教授以华南理工大学为第一单位发表第一兼通讯作者论文,系统介绍光电导复合电极材料及其在光伏器件中的应用与发展前景。详见论文Hybrid Photoconductive Cathode Interlayer Materials Composed of Perylene Bisimide Photosensitizers and Zinc Oxide for High Performance Polymer Solar Cells [Adv. Energy Mater. 2017, 7, 1602573]。

溶胶-凝胶(sol-gel)法加工的氧化锌(ZnO)在有机/聚合物太阳能电池中广泛使用,是大面积模组中首选的阴极修饰材料,具有加工简便(旋涂、刮涂、印刷等)、后处理温度低(< 200℃)、稳定、廉价等显著优势;但是使用这种方法加工的ZnO薄膜结晶度低,存在大量结构缺陷(电子陷阱),因此电子迁移率与电导率低,只能在薄膜厚度很薄的条件下使用。目前,文献报道的基于ZnO的高效有机/聚合物太阳能电池中,ZnO层厚度一般小于30nm;然而,目前的大面积加工技术难以快速加工如此薄并且均匀、无针孔的薄膜。增加ZnO层厚度能够降低加工难度却会导致器件性能大幅度降低,这是因为活性层产生的电荷不能被快速收集并传输到金属电极中。在ZnO晶格中掺杂三价金属原子能够提高ZnO薄膜电子迁移率与电导率,如铝掺杂ZnO(AZO),但是这种方法一般需要较高的后处理温度(>350℃),不适用于柔性基板。为此,发展适合湿法低温加工的、在厚膜条件下使用的高电导率ZnO材料,将利于有机/聚合物太阳能电池的快速规模化生产,推动产业化进程。

针对溶胶-凝胶法制备ZnO材料电导率低的科学问题,解增旗等提出“光掺杂”的解决方案,合成了新型光电导复合电极材料。实现高光电导性能复合电极材料的关键因素包括:1)有机染料分子与金属氧化物半导体间较强作用力(如化学键连)以保证有机分子在无机体系中的单分子分散性,2)有机染料分子与无机半导体相比较高的能级结构以保证光诱导电子转移顺利进行,3)有机染料分子具有较高的摩尔吸光度以保证低掺杂浓度即可实现高效光电导性能。实验中,将微量(1wt%)染料分子苝酰亚胺(PBI-H)掺杂到ZnO薄膜中,苝酰亚胺与ZnO之间形成N-Zn化学键保证染料分子在ZnO薄膜中的单分子分散性(图1a);光照下掺杂薄膜中由染料分子LUMO到ZnO导带的光诱导电子转移,大幅度增加载流子(电子)密度,电导率较非掺杂ZnO提高两个数量级(图1bc)。使用这种光电导复合电极材料(ZnO:PBI-H)修饰阴极的聚合物太阳能电池器件中,获得了10.5%的能量转换效率(光吸收层为PTB7-Th:PC71BM),与使用ZnO修饰阴极的器件中8.3%的效率相比提升25%以上,为当时文献报道的效率突破10%的少数实例之一。详见论文Photoconductive Cathode Interlayer for Highly Efficient Inverted Polymer Solar Cells [J. Am. Chem. Soc., 2015, 137, 6995(ESI高被引论文)]。

在前期工作的基础上,解增旗等进一步发展了适合在厚膜条件下(100nm)使用的、水溶液低温加工的光电导复合电极材料(ZnO:PBI-Py),并深入探讨了这类材料的工作机制。水溶液加工ZnO薄膜具有无毒性、绿色环保等显著优点,但是不能用于修饰有机/聚合物太阳能电池中的阴极,原因是这种方法加工的薄膜与油溶液加工的薄膜相比具有更多缺陷结构(电子陷阱),其电子迁移率与电导率更低,不能满足电极修饰材料的要求。解增旗等使用水溶性染料分子PBI-Py与醋酸锌(ZnAc2)制备前驱体水溶液,进而成功获得了水溶液加工的光电导薄膜。使用这种薄膜制备场效应器件,发现在1.5%太阳光强度的光照下薄膜电子迁移率是黑暗条件下的3.75倍(4.32×10−3 cm2 V−1 s−1 vs 1.15×10−3 cm2 V−1 s−1),这是因为光照下由染料分子PBI-Py到ZnO的光诱导电子转移能够有效填充ZnO中的电子陷阱(缺陷)。因此,光电导复合材料电导率的大幅度提升来源与迁移率提高与载流子(电子)密度提高两个方面(图1b)。通过瞬态光电压与瞬态光电流研究发现光电导薄膜中光生载流子的寿命很长,达到5.4μs,这意味着在非常低的掺杂浓度下就可以实现较高密度的光生载流子,实验中掺杂浓度为1%(质量比)时就可以实现很高的光电导性能。另外,研究发现这种光电导薄膜在光照下功函数较黑暗条件下降低0.2eV,这是由于光诱导电子转移改变了体系的费米能级。在实际光伏器件中,由于阴极修饰层具有较高的电子迁移率与电导率,器件性能对阴极修饰层厚度变化及加工温度不敏感(图2),特别是在150℃适合柔性基底的条件下,器件性能基本保持不变。基于水溶液加工的高光电导复合电极材料,制备了阴极修饰层(ZnO:PBI-Py)厚度和活性层(FBT-Th4(1,4):PC71BM)厚度分别为100nm和300nm的聚合物太阳能电池器件,其能量转换效率超过10%。实现水溶液低温加工的、厚膜条件下工作的阴极材料,为将来大面积柔性器件的快速规模化制备奠定了基础。详见论文Aqueous Solution Processed Photoconductive Cathode Interlayer for High Performance Polymer Solar Cells with Thick Interlayer and Thick Active Layer [Adv. Mater. 2016, 28, 7521]。

解增旗等进一步将光电导复合阴极材料应用于三元共混有机/聚合物太阳能电池中,获得了超过11%的器件效率(第三方验证效率为10.38%),这是到目前为止基于富勒烯受体三元共混器件最高效率。三元共混体系能够有效拓宽吸收光谱从而形成较大的光生电荷密度,因而需要高的载流子取出速率以获得高器件效率。光电导复合电极材料工作条件下具有高的电导率和较低的功函数,能够显著提升电池中电子取出效率降低界面复合。实验中,使用光电导复合电极材料(ZnO:PBI-H)修饰阴极,在近红外敏化的三元有机太阳能电池中获得了最高11.03%的器件效率(Voc = 0.769 V, Jsc = 18.94 mA cm-2, FF = 75.63%),这与使用ZnO修饰阴极的三元器件中9.52%的效率(Voc = 0.762 V, Jsc = 17.43 mA cm-2, FF = 71.67%)相比提升15%以上,再次充分验证了光电导复合电极材料在高效有机/聚合物太阳能电池中的优势(图3)。详见论文11% Efficient Ternary Organic Solar Cells with High Composition Tolerance via Integrated Near-IR Sensitization and Interface Engineering [Adv. Mater. 2016, 28, 8184(ESI热点论文)]。

  1. 有机光电器件中金属/有机界面的能级匹配研究(王坚课题组)

基于有机半导体的有机电子器件正展现出许多与传统无机电子器件不同的潜在优势,例如低温加工、质量轻盈、生产成本低、生产产率高以及柔性可弯折等,因此正受到国际众多研究机构的关注。有机电子器件均为薄膜器件,许多关键的电子过程,例如载流子的注入与抽取、激子的复合与分离等现象,均发生在材料之间的异质结界面处,故界面质量的好坏直接影响着器件性能及其工作稳定性。为了更好地理解有机半导体内的电子行为机制、设计高效率器件,对“有机/金属”界面接触的研究十分关键。

有机半导体器件中,顶电极界面的“有机/金属”接触直接决定着器件在此方向上的电荷注入或抽取势垒。然而由于这里的金属层是后蒸镀的,金属对电场的屏蔽和电极之间的费米能级拉平作用,导致普通的能级测试手段难以对其界面能级变化进行直接的表征。为此,华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室王坚教授研究组创造性地利用掩膜阴影和金属蒸气的散射效应,在有机衬底表面真空沉积超薄的、厚度渐进变化的金属Al层,通过扫描样品表面功函数的变化,从中提取了界面偶极信息,并与前蒸镀金属的有机界面进行对比。实验系统研究了各类有机材料,包括有机单分子层、有机电解质、发光材料、光伏材料和绝缘材料在内的多种极性/非极性有机衬底与金属Al的界面接触,发现有机分子的极性成分决定了其在金属界面上的偶极取向,不同的金属生长形貌和镜面电荷效应差异等则会对偶极大小造成影响。实验方法还区分了分子作用与费米能级钉扎作用形成偶极的两种机制,帮助我们进一步研究和理解偶极的形成过程,同时也提供了一种快速、简便地研究新型界面材料在金属界面的偶极形成能力的手段,便于快速筛选高效的界面材料。

相关成果以题Dipole formation at organic/metal interfaces with pre-deposited and post-deposited metal发表在NPG Asia Materials上(2017年接收,正在出版)。作者为Zhanhao Hu(胡展豪),Zhiming Zhong(钟知鸣),Kai Zhang(张凯),Zhicheng Hu(胡志诚),Chen Song(宋晨),Fei Huang(黄飞),Junbiao Peng(彭俊彪),Jian Wang*(王坚),Yong Cao(曹镛)。相关工作得到了国家科技部,国家自然科学基金和广东省科技厅的资助。

  1. 双界面修饰策略获得高开路电压和填充因子的半透明钙钛矿太阳能电池(叶轩立课题组)

发展高效,廉价的太阳能电池是解决日益严峻的全球气候变暖和环境污染问题的重要手段。有机无机杂化钙钛矿太阳能电池因其原材料廉价易得,加工简便,电池效率高、器件结构多样等优势成为光伏领域研究热点。其中,类似于有机太阳能电池器件结构的平面倒装钙钛矿电池可以采用低温全溶液加工方法而备受关注,不仅可以使得生产能耗大幅降低,还能实现大面积生产,还可制备柔性器件,质量轻便,可满足不同的需要。然而,平面倒装钙钛矿电池开路电压(<1 V)通常低于介孔结构的钙钛矿太阳能电池,其阳极一侧(通常为PEDOT:PSS/钙钛矿界面)和阴极一侧(通常为钙钛矿/PCBM界面)存在明显能量势垒,大大降低电池开路电压以及效率。

近期,华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室叶轩立课题组为提高平面倒装钙钛矿电池开路电压以及效率而开发双界面修饰策略。在阳极一侧引入DEA表面修饰的NiO作为空穴传输层取代传统的PEDOT:PSS,提高钙钛矿结晶性和成膜质量,有效钝化钙钛矿薄膜下表面陷阱态,同时在阴极一侧引入最低未占分子轨道能级较高的富勒烯衍生物C60(CH2)(Ind)取代传统的PCBM,有效钝化钙钛矿薄膜上表面陷阱态以及提高载流子抽取效率,双界面修饰策略可以大大提高电池载流子复合寿命以及降低抽取时间,减少器件电荷陷阱以及提高载流子抽取效率。因此,基于双界面修饰电池的能量转换效率提高至18.1%,尤其是获得高开路电压(1.13 V)和高填充因子(80%),同时,凭借双界面修饰所取得优异的开路电压和填充因子,其半透明钙钛矿太阳能电池能量转换效率分别高达11.0%和12.6%,对应的器件平均透光率高达25.6%和21.5%,是当前半透明钙钛矿太阳能电池报道类似平均透光率中最高能量转换效率。

相关成果以《Dual Interfacial Modifications Enable High Performance Semitransparent Perovskite Solar Cells with Large Open Circuit Voltage and Fill Factor》为题,发表在Advanced Energy Materials(Adv. Energy Mater. 2016, DOI: 10.1002/aenm.201602333)上,作者为Qifan Xue, Yang Bai, Meiyue Liu, Ruoxi Xia, Zhicheng Hu, Ziming Chen, Xiao-Fang Jiang, Fei Huang, Shihe Yang*, Yutaka Matsuo*, Hin-Lap Yip* and Yong Cao。相关工作得到了国家科技部,国家自然科学基金的资助。

 

  1. 离子交换法实现Mn6+掺杂BaSO4纳米材料的可控合成(邱建荣课题组)

近些年来,发射波长位于近红外第二窗口 (1000-1400 nm)的荧光材料受到广泛关注。与近红外第一窗口的荧光材料相比(750-900 nm),近红外第二窗口荧光材料因其在生物组织中具有较小的散射和较弱的自发荧光,在深层组织成像和生物检测中更具优势。目前主流的近红外第二窗口荧光材料主要集中在量子点,碳纳米管和稀土纳米材料等。然而,上述材料通常具有发光效率低,光稳定性差,高毒性,高成本等问题,这些限制了它们的进一步应用。Mn6+是具有3d1电子结构的过渡金属离子,以BaSO4:Mn6+为代表,可以在室温下产生从900 nm到1400 nm的宽带发光,覆盖了整个近红外第二窗口,并且荧光量子效率可以达到20%。因此,BaSO4:Mn6+荧光材料作为新型近红外第二窗口荧光探针具有一定潜力。迄今为止,Mn6+掺杂的荧光材料仅能通过传统的高温固相法或是熔盐法制备。这些合成方法需要较高的反应温度和较长的反应时间。此外,在合成过程中,高价态的锰很容易发生自发还原,并且纳米颗粒的粒径和形貌也难以得到控制,这限制了该材料在生物成像中的应用。因此,迫切需要寻找一种新的合成方法来制备价态和形貌可控的Mn6 +掺杂的纳米材料。

近期,华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室邱建荣教授研究组提出了一种新型的利用阴离子交换实现Mn6+掺杂的BaSO4纳米颗粒的可控合成方法。在这项工作中,该研究组通过固-液途径在室温下制备出BaSO4:Mn6+纳米颗粒。该方法首先合成均匀粒径的球形BaSO4纳米颗粒,再通过与富含六价锰离子的K2MnO4溶液充分反应,利用纳米尺度下高效的离子扩散作用,实现Mn6+在BaSO4纳米颗粒中的微量掺杂(示意图,见图1a)。制备的BaSO4 :Mn6+纳米材料被可见和近红外激光激发后,表现出来自Mn6+离子的宽带近红外发射,发射波长的范围从900 nm到1400 nm,覆盖了整个近红外第二窗口(见图1b)。该工作为合成特殊价态离子掺杂的纳米材料提供了新的思路。

相关成果以《Controllable Synthesis of Mn6+ Doped Nanoparticles By A Facile Anion Exchange Method》为题,发表在Nanotechnology (DOI: 10.1088/1361-6528/28/2/025604)上,作者为Xiaowen Zhang (张晓闻) , Chenxing Liao (廖臣兴), Yang Li (李杨), Zhi Chen (陈智), and Jianrong Qiu (邱建荣)*。相关工作得到了国家自然科学基金和广东省自然科学基金的资助。

  1. 利用双波长激光在稀土掺杂材料中同时操控快-慢光开关调制(邱建荣课题组)

随着现代信息化进程的加快,光通信日益趋于全光计算机、信息高速公路等模式发展,而这些都离不开应用光开关进行光路切换。传统的光开关存在很多缺点,比如:光响应速度慢、只是延时开关、不能进行调光或其他高级操作。由于光的传播速度快,光子与光子之间可以相互作用,通过光子控制光子,实现光信号开关调制,将对未来全光信息处理的发展产生革命性的影响。近年来,科研人员主要致力于通过利用低维材料的非线性光学效应或者金刚石氮空位中心可发射荧光特性进行全光控制光开关及相应器件的研究。然而,低维材料和金刚石等材料价格昂贵、合成工艺复杂、荧光发射效率低、光开关调控效果依旧存在缺陷。众所周知,稀土离子发光效率高、能级丰富、材料制备工艺简单,双波长激光同时激发时很容易产生激发态吸收,并且很多激发态吸收波长属于光通信波段的近红外光。通过改变双波长激光同时激发稀土掺杂材料的作用方式,可以相对轻松地操控响应速率快-慢可调的荧光开关调制。但是,几乎没有人关注这个有趣的研究课题。

近期,华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室邱建荣教授研究组陈智博士等人与上海交通大学先进光通信系统与网络国家重点实验室姜淳教授研究组通过理论模拟计算与实验验证相结合,首次提出了一种新型的利用双波长激光在稀土掺杂材料中同时操控快-慢光开关调制策略。该科研合作团队以Ho3+单掺的含有LaF3纳米晶体的微晶玻璃为材料媒介、改变两束不同频率(1870 + 980 nm)的激光激发组合模式(见图1a),巧妙地调控Ho3+激发态能级上的电子布居达到稳态的速率,在实现高效的单峰红色上转换发光(见图1b)的同时,达到了操控快-慢响应速率不同的单峰红色上转换荧光开关调制的目的(见图1c和1d)。这种新的利用双波长激光在稀土掺杂材料中同时操控响应速率不同的快-慢光开关调制的方法,将为未来全光光纤信息数据处理和信号切换开辟新的研究思路。

相关成果以《Fast-Slow Red Upconversion Fluorescence Modulation from Ho3+-Doped Glass Ceramics upon Two-Wavelength Excitation》为题,发表在Advanced Optical Materials(Adv. Opt. Mater. 2017, 5, 1600554, DOI: 10.1002/adom.201600554)上,作者为Zhi Chen (陈智) , Wentao Cui (崔文韬), Shiliang Kang (康世亮), Hang Zhang (张航) , Guoping Dong (董国平)*, Chun Jiang (姜淳)*, Shifeng Zhou (周时凤), and Jianrong Qiu (邱建荣)*。相关工作得到了国家科技部,国家自然科学基金和广东省科技厅的资助。

1、2、3月份境内外学者来国重室访问交流情况

38期表