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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2期(总第39期)

时间:2017-05-04 15:38      发布人:何秋云      阅读:164

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2期(总第39期)发光材料与器件国家重点实验室工作简报2017年第2期(总第39期)

摘要:

发光材料与器件国家重点实验室2人入选2016年度“长江学者奖励计划”

3月31日,教育部公布了2016年度“长江学者奖励计划”入选名单,华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室2人入选,黄飞、李国强分别获聘特聘教授和青年学者。截止到目前,发光材料与器件国家重点实验室共有“长江学者奖励计划” 特聘教授7人,青年学者1人。

“长江学者奖励计划”是教育部为提高中国高等学校学术地位,振兴中国高等教育设立的专项高层次人才计划,从1998年开始实施以来,已成为国家重大人才工程的重要组成部分。

科技部调研组王宾宜一行参观访问华南理工发光材料与器件国家重点实验室

3月31日下午,中央纪委驻科技部纪检组组长、科技部党组成员王宾宜一行参观访问华南理工发光材料与器件国家重点实验室,对国家重要科技创新政策措施和中央重大科技决策部署贯彻落实情况进行调研,听取学校相关工作建议。华南理工大学党委书记章熙春,中国科学院院士曹镛等陪同王宾宜一行参观了国家重点实验室。

座谈会上,章熙春表示,近年来国家出台了系列激励科研人员创新创业的政策法规,极大地鼓舞了科研人员的创新创业热情。华南理工长期以来高度重视科技创新工作,积极落实国家最新政策,改革创新学校的管理制度,大力支持、鼓励科研人员创新创业,产出重大原创性科研成果,积极服务经济社会发展。章熙春还提出了成果转化个人所得税方面的建议。曹镛院士围绕科研分类考核评价、国外学者来访补贴、高层次人才评选制度等提出了建议。王宾宜对学校近年来积极落实国家科技政策精神采取的措施和取得的成效给予了高度赞扬,并表示对学校提出的政策建议会带回去认真研究。

一同参观访问的还有科技部政策法规与监督司司长贺德方、资源配置与管理司司长张晓原、中央纪委驻科技部纪检组副组长贺振福、广东省纪委驻省科技厅纪检组组长、省科技厅党组成员陈夫尧等,学校党委常委陶韶菁、科技处处长马卫华、发光材料与器件国家重点实验室主任马於光、材料科学与工程学院院长彭俊彪等相关单位负责人参加了调研座谈会。

发光材料与器件国家重点实验室人才简介:解增旗教授

解增旗教授在吉林大学先后获得学士(2002)、博士学位(2007),曾在韩国、德国从事博士后研究,2011年底加入华南理工大学工作至今。入选全国优秀博士论文提名(2009)、德国洪堡学者(2009)、第二批国家青年千人计划(2012)、广东省创新团队核心成员(2012)、广东省百千万人才工程领军人才(2016)。近5年发表SCI论文50余篇(含接收发表),其中第一/通讯作者论文25篇(ESI热点论文1篇、ESI高被引论文1篇);全部论文(>100篇)近5年被他人引用750余次,H-因子22;申请发明专利5项,其中1项已授权;国际会议邀请报告10次。

近5年来,开展共轭分子体系聚集态结构、电子光谱、电子转移与能量转移过程调控等研究;以苝酰亚胺(PBI)类材料为研究体系,在高性能光电导复合电极材料、激发态能量转移调控以及稳定的苝酰亚胺阴离子材料三个方面,取得了若干国内外同行认同的原创性研究成果。

(一)“光掺杂”解决氧化锌缺陷问题 — 光电导复合电极材料

提出“光电导界面”新概念,解决低温溶液加工氧化锌(ZnO)薄膜迁移率与电导率低的科学问题;合成系列光电导复合电极材料,阐明工作机制,大幅度提高光伏器件效率。系列研究成果先后发表在J. Am. Chem. Soc., 2015, 137, 6995; Adv. Mater. 2016, 28, 7521; Adv. Mater. 2016, 28, 8184; Adv. Energy Mater. 2017, 7, 1602573。该系列工作被评论为“一种新颖的设计”,“对发展高性能的阴极界面材料非常有价值”,“最高效率的单结太阳能电池之一”;其中两篇论文分别入选ESI热点论文和ESI高被引论文,被快速大量引用并被同行跟进研究。基于该原创性系统的工作,Adv. Energy Mater.杂志邀请撰写研究新闻。

(二)激发态(激子)能量转移的聚集态调控及应用

通过超分子结构调控,实现具有激子快速迁移特性的J-聚集,突破“界面吸光损失能量”的传统观念,成功将强吸光J-聚集用于界面;提出“魔角”聚集(M-聚集)与 “交叉”聚集(X-聚集)新概念,阐明取向因子在极限条件下的激发态能量转移特性,通过“束缚”激子实现高发光材料。系列研究成果发表在Mater. Horiz. 2015, 2, 514; Mater. Horz. 2014, 1, 355; ACS Appl. Mater. Interfaces 2015, 7, 25821; Chem. –Eur. J. 2012, 18, 7060; J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 14152。被评论为“首次观测到发光分子的交叉排列”,“Xie等引入了X-聚集的概念”。

(三)稳定苝酰亚胺阴离子态,探索在有机电子器件中的新应用

通过拉电子效应降低苝酰亚胺分子LUMO能级,增加其电子亲和势,获得稳定的苝酰亚胺阴离子,发展了高性能还原电致变色材料与阴离子界面材料。系列结果发表在Adv. Energy. Mater. 2017, 7, 1700232; Chem. Commun. 2013, 49, 11560; Chem. Commun. 2016, 52, 13600。

发光材料与器件国家重点实验室主要研究进展介绍

  1. 点击聚合新成员:氨基–炔点击聚合(唐本忠课题组)

新材料的开发依赖于聚合方法学的发展,开发便捷高效、高选择性、条件温和、原料简单易得、原子经济的聚合反应,对构筑具有新结构和新功能的高分子材料具有重要的意义。点击反应由于具有模块化、选择性好、适用范围广、条件温和、反应高效、无副产物、原子经济性、官能团耐受性等特点而得到广泛的研究和应用。经过高分子科学家们的不懈努力,一系列点击反应,如Cu(I)的叠氮–炔环加成反应、巯基–炔反应、巯基–烯反应、Diels–Alder反应等,已被开发为制备聚合物的强有力工具,并制备了许多功能性聚合物材料。

近期,华南理工大学唐本忠院士团队秦安军教授等开发出一类新型的点击聚合,即氨基–炔点击聚合。如图1所示,作者利用活化内炔与芳香胺在CuCl的催化下,成功开发了一种简单高效的Cu(I)催化氨基–炔点击聚合。该点击聚合在无溶剂条件下,于140 oC反应2小时便可得到分子量高达13740的聚(β-氨基丙烯酸酯)(PAAs)。此外,该点击聚合反应具有优异的区域选择性和立体选择性,可得到只有马氏加成和Z式结构高达94%的聚合产物。相关结果发表以封面的形式发表在Polymer Chemistry (2016, 7, 7375-7382.)上。第一作者为博士生何本钊。

论文链接:http://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2016/PY/C6PY01501H

在实验过程中,作者将活化内炔单体换为活化端炔单体,意外发现这类与脂肪族仲胺在室温下便可自发进行聚合,并且只得到反马加成且100% E式结构的产物。受到这些结果的启发,作者系统研究了该氢胺化聚合,并成功建立了一种自发的氨基–炔点击聚合。该点击聚合无需任何催化剂,在室温下便可自发进行,且几乎定量地得到高分子量(Mw高达64400)的PAAs。更重要的是,该自发的氨基–炔点击聚合具有专一的区域选择性和立体选择性,只有反马加成和100% E式结构的产物生成。

此外,作者还用密度泛函理论(DFT)对该聚合反应的机理进行了系统研究,发现其具有两步基元反应:首先是N原子对三键末端碳原子的亲核进攻,第二步是N原子上质子迁移。此外,还观察到两性离子中间体以及产物间的两个转化过程(图3)。最终只得到反马加成、100% E式结构的PAAs。该氨基-炔点击聚合具有很好的官能团耐受性,可以将具有聚集诱导发光(AIE)特性的四苯基乙烯(TPE)单元引入到聚合物主链中,制得同样具有AIE性能的PAAs,并实现了在爆炸物检测以及生物成像中的应用。该自发的点击聚合反应不仅操作简单、条件温和、反应高效,原子经济,还具有优异的区域选择性和立体选择性,同时节省催化剂成本,避免了产物中金属催化剂残留的问题。有望发展成为一种强大的聚合物合成工具。相关结果发表在Journal of the American Chemical Society (2017, DOI: 10.1021/jacs.7b00929)上。第一作者为博士生何本钊。

论文链接:http://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/jacs.7b00929

  1. 用于聚合太阳电池的自掺杂型电子传输材料(黄飞课题组)

聚合物太阳电池由于具有质轻,柔性以及可大面积加工等优势受到了学术界和工业界的广泛关注。高效的聚合物太阳电池器件需要采用多层器件结构(图一(a)所示),以实现电荷的顺利抽取和收集。多层聚合物太阳电池器件的加工需要每一层聚合物薄膜的加工溶剂互为正交溶剂,以避免层与层之间的互溶现象。水醇溶电子传输材料由于可以采用水、醇等溶剂加工,在多层聚合物太阳电池器件的制备方面发挥着独特的优势。除此之外,水醇溶电子传输材料还具有调节电极功函,界面掺杂,阻挡空穴等多种作用,能够显著提高聚合物太阳电池的性能。为了进一步实现高效的电荷收集以及电子传输层的厚膜加工,研究人员致力于开发高迁移率的水醇溶电子传输材料。掺杂是提高有机半导体迁移率的一种重要的办法。通过对水醇溶电子传输材料进行掺杂,有望实现更加高效的电子传输材料和相应的高效聚合物太阳电池器件。

华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室黄飞教授研究组在n型电子传输材料及其掺杂特性和光伏性能等方面做出了一系列的探索,在之前的工作中发展了高迁移率的N型自掺杂水醇溶共轭聚合物界面材料并成功的应用于聚合物太阳电池和钙钛矿太阳电池,实现了电子传输层厚度大于100 nm的高效电池器件(J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 2004; Adv. Energy Mater. 2016, 1501534)。近期进一步提出了通过对离子调节n型聚合物电子传输材料的掺杂特性以及光伏性能的方法。研究组采用了一种新型的离子聚合方法,成功地制备了具有良好水/醇溶性的苝酰亚胺类聚电解质。(图一(b)所示)另外,通过对离子的调节,可以实现对于聚电解质掺杂行为,自组装和电荷传输等性能的调节,使其能够制备高质量和高迁移率的电子传输薄膜。当这些聚电解质作为电子传输材料在聚合物太阳电池中应用时,可以得到超过9.5%的光电转换效率。并且当这些聚电解质的厚度达到50 nm时,聚合物太阳电池器件还可以维持8%的光电转换效率。这项研究工作表明,通过对离子掺杂可以实现高性能的n型电子传输材料,为适用大面积太阳电池加工技术的电子传输材料提供了一种新的选择。

为了进一步研究n型电子传输材料中的掺杂特性以及光伏性能。黄飞教授研究组与解增旗教授研究组合作,通过在水醇溶苝酰亚胺类小分子材料上利用化学修饰同时调控苝酰亚胺的分子能级以及对离子种类,实现了强度可控、自掺杂行为稳定的n型自掺杂电子传输材料。(图一(c)所示)这项研究工作不仅成功地实现了系列苝酰亚胺类材料自掺杂程度的梯度分布,也成功地实现了对苝酰亚胺的溶液自掺杂行为的可控调节。除此之外,这些自掺杂材料具有优异的界面修饰能力,作为电子传输材料可以制备能量转换效率高达10.06%的聚合物太阳电池器件。这些研究工作从分子设计的角度对有机半导体的自掺杂行为提供了深刻的认识,为高效稳定自掺杂材料的进一步开发提供重要的研究思路。

以上相关成果以《Quaternisation-polymerized N-type polyelectrolytes: synthesis, characterisation and application in high-performance polymer solar cells》和《Self-Doped, n-Type Perylene Diimide Derivatives as Electron Transporting Layers for High-Efficiency Polymer Solar Cells》为题分别发表在Materials Horizons (Mater. Horiz., 2017, 4, 88-97)和Advanced Energy Materials(Adv. Energy Mater. 2017, DOI: 10.1002/ aenm.201700232)上。博士生胡志诚和王圳峰分别为上述论文的第一作者。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. 引入非富勒烯电子受体构筑三元器件提高聚合物太阳电池效率(黄飞课题组)

近年来,聚合物太阳电池(PSCs)因其制备成本低、柔性以及可大面积印刷加工的特性而得到广泛的研究和开发。尽管目前部分聚合物太阳电池的光电转换效率已经接近商业化要求,但是该类光电器件的大规模、市场化的进程仍然受到有机半导体材料种类、器件制作工艺以及各项性能稳定性等因素的制约。为了兼顾器件的光电转换效率和性能稳定性,目前主流的研究方向在于设计及合成新型的高效而且稳定的非富勒烯受体。与此同时,可以与其形成电子能级和吸收光谱相匹配的宽带隙给体显得至关重要。而目前高效的宽带隙给体的种类却十分有限,苯并三唑(BTA)类给体因其兼顾宽带隙以及高迁移率的特性而在非富勒烯体系中得到广泛应用。而此类宽带隙给体一般具有较浅的最低空置分子轨道(LUMO),因此与电子受体之间存在较大电子转移势垒;同时该类材料吸收光谱较窄,对于太阳光的利用率不佳。

近期,华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室黄飞教授及应磊副教授研究组发展一种由单一给体和双受体组成的新颖三元共混体系(化学结构见1a)。主要思路是通过氟原子修饰来调节电子受体IFBR的电子能级,并将其引入到基于BTA的宽带隙给体PBTA-BO和富勒烯受体PC61BM的共混体系中,以形成三组分能级梯度串联排列,拓宽电荷转移和传输通道(1b)。另外,由于IFBR属于窄带隙电子受体,可以弥补PBTA-BO和PC61BM在长波区域吸收的不足,形成可见光范围的充分吸收(1c)。最重要的是,三元共混之后光活性层的形貌得到显著改善,形成同时有利于电荷分离和电荷载流子传输的有利形貌。因此,相比于PBTA-BO:PC61BM和PBTA-BO:IFBR二元体系分别5.70% 和3.85% 的功率转换效率,该方法可以将器件效率显著提升至8.11%,同时器件的热稳定性明显改善(1d)。该项研究工作实现了宽带隙给体在新型非富勒烯受体的三元体系中的性能飞跃,为满足兼顾器件的光伏性能和长期稳定性的长远要求提供了一种新的思路。

相关成果以《Improved Performance of Ternary Polymer Solar Cells Based on A Nonfullerene Electron Cascade Acceptor》为题,发表在Advanced Energy Materials (Adv. Energy Mater. 2017, 1602127, DOI: 10.1002/aenm.201602127),作者为Baobing Fan (樊宝兵), Wenkai Zhong (钟文楷), Xiao-Fang Jiang (姜小芳), Qingwu Yin (殷庆武), Lei Ying (应磊),* Fei Huang (黄飞),* and Yong Cao (曹镛)。相关工作得到了国家科技部和国家自然科学基金的资助。

4月份境内外学者来国重室访问交流情况

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