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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 2018年第4期 (总第48期)

时间:2018-08-08 14:47      发布人:何秋云      阅读:19

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王迎军校长调研发光材料与器件国家重点实验室

6月7日,中国工程院院士、华南理工大学校长王迎军到发光材料与器件国家重点实验室就实验室的建设发展进行调研和座谈。中国科学院院士曹镛、发光材料与器件国家重点实验室主任马於光教授、材料科学与工程学院院长彭俊彪等人参加了座谈会。党委副书记余其俊一同前往。

座谈会上,曹镛院士介绍了重点实验室评估工作情况、下一步的发展规划,并就人才引育与梯队建设、实验室管理等方面工作提出了了一些建设性的意见。

王迎军在听取汇报后表示,国家重点实验室是学校科技创新和人才培养体系的重要平台,是学校“双一流”发展重中之重的建设内容。学校高度重视国家重点实验室建设。正如习近平总书记在中国科学院第十九次院士大会、中国工程院第十四次院士大会上的讲话中指出,我们迎来了世界新一轮科技革命和产业变革同我国转变发展方式的历史性交汇期,既面临着千载难逢的历史机遇,又面临着差距拉大的严峻挑战,“国家重点实验室的发展不能盲目乐观”。

针对新形势对学校科技工作的新要求,王迎军指出,实验室的建设要进一步突出重点和特色,要在学校“双一流”建设整体规划中取得更加突出的成绩。对于下一轮学科建设的整体规划,学校将进一步充分研讨和论证,要在兼顾学校各学科整体发展的基础上突出重点,建设真正国际一流的学科和教学、科研平台。对于国家重点实验室等国家级科研平台的建设,除经费支持外,学校还会在政策上给予倾斜支持。要借鉴广州国际校区建设中的先进经验和做法;在人才队伍的建设上要坚持引育并举,不仅要做好人才的引进工作,更要做好人才的培育工作,通过政策、感情、平台等多方面构建人才成长发展、干事创业的好环境,加快形成习总书记提出来的有利于人才成长的培养机制、有利于人尽其才的使用机制、有利于竞相成长各展其能的激励机制、有利于各类人才脱颖而出的竞争机制。在支持实验室的建设发展上,学校将进一步做好规划,所依托的学科和学院也要进一步加大支持力度,建立并完善长效、可持续的发展机制,统筹做好学科建设、平台使用和人才培养工作。

学校办公室、党委宣传部、人事处、教务处、科技处、研究生院、材料科学与工程学院相关负责人参加调研。

香港大学任咏华院士受聘仪式

6月25日下午,中国科学院院士、第三世界科学院院士、美国国家科学院外籍院士、欧洲人文和自然科学院外籍院士、香港科学院创院院士任咏华聘任仪式暨学术报告会在北区科技园1号楼N308报告厅举行。党委副书记余其俊出席聘任仪式并为任咏华院士颁发聘书。

余其俊在致辞中介绍了近年来实验室的高度发展和长足进步,并对任咏华院士的科研成果表示高度赞赏。他代表学校对任咏华院士加盟华南理工大学表示诚挚的欢迎。

聘任仪式结束后,任咏华院士为在座师生做了题为“ Versatile Chromophores and Excited States – From Fundamentals to Molecular Materials for Optoelectronic, Photonic and Memory Functions”的报告。

学术报告结束后,任咏华院士与参会师生进行了广泛深入的交流探讨,为实验室师生的科研与发展提供指导与鼓励。

曹镛院士、实验室主任马於光教授、实验室师生等一百余人参加活动。

 

“光电学术讲座”第二十八讲

6月29日(星期五)下午15:00在北区科技园1号楼N308报告厅举行了光电学术系列讲座第二十八讲。

此次讲座是由马於光和解增旗两位教授主持。有三人进行报告:张环环(电化学聚合制备基于导电聚合物的高能量密度超级电容器电极与器件)、周学宏(有机半导体的受激辐射特性及拉曼特性研究)、周家东(分子堆积结构探索:从H-/J-聚集到M-聚集)。实验室部分师生参加此次讲座,并在报告后热烈提问讨论。

发光材料与器件国家重点实验室青年骨干人才简介:胡蓉蓉教授

胡蓉蓉,理学博士,教授,华南理工大学。2007年毕业于北京大学分子与工程学院,获理学学士学位;2011年获香港科技大学化学系博士学位,导师为唐本忠教授;2012年至2014年在香港科技大学化学系任研究助理,合作导师为唐本忠教授。2014年3月进入华南理工大学材料科学与工程学院,发光材料与器件国家重点实验室工作。已发表SCI收录的学术论文100余篇,他引3000余次,h因子为30。在这些论文中,第一及通讯作者SCI论文33篇,包括J. Am. Chem. Soc. 2篇,Chem. Soc. Rev. 1篇,Macromolecules 6篇等。授权中国专利2项。研究成果受到国内外同行的高度关注和正面评价。在国内外学术会议上做邀请报告9次,作为会议执行主席筹办“中国科协第316次青年科学家论坛”; 主持2项国家自然科学基金项目、中国科协青年人才托举工程项目、广东省自然科学杰出青年基金项目,广东省特支计划科技创新青年拔尖人才项目,获广东省珠江青年学者称号。

胡蓉蓉教授多年来主要从事基于炔的高分子合成方法学和高分子材料研究,通过开发多组分聚合新反应来高效制备新型功能高分子材料。主要学术成绩包括:(1)建立了炔的多组分串联聚合,成功制备了共轭高分子和序列可控高分子,发展了一类便捷高效的聚合反应,丰富了多组分聚合的适用范围和产物结构(J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 5075;Macromolecules 2016, 49, 9291;Macromolecules 2015, 48, 1941;Macromolecules 2014, 47, 4920);首次实现了无需催化剂的单质硫、胺与炔/异腈的“绿色”多组分聚合,将单质硫在温和条件下一步转化成含硫功能高分子,为工业上硫的利用问题提供了经济、便捷、高效的解决方案(J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 6156;Macromolecules 2015, 48, 7747);开发了铜催化的炔的多组分聚合,制备了系列具有独特新颖化学结构且难以通过其他方法合成的功能高分子(Macromolecules 2017, 50, 6043;Macromolecules 2017, 50, 5670;Polym. Chem. 2018, 9, 1674)。

发光材料与器件国家重点实验室主要研究进展介绍:

高填充因子小分子太阳电池的光物理原理(吴宏滨教授课题组)

有机小分子太阳电池(SM-OPVs)是一种基于单一分子单元给体和富勒烯/非富勒烯受体共混的有机体异质结型太阳电池。相比于聚合物给体材料,小分子易于纯化、可重复性高,并且可以降低能量/结构的无序度,因此被认为是一种颇有潜力的有机太阳电池技术。目前,制约有机小分子太阳电池性能的主要因素是其较低的填充因子(FF)和载流子迁移率(µ),因此探索制约填充因子的物理机制及其与迁移率之间的物理联系、以及寻找实现高填充因子的方法对于进一步提高小分子电池的性能至关重要。

近期,华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室吴宏滨教授课题组深入分析了制约小分子太阳电池填充因子的物理机制(图1)。以有机小分子BIT-4F为主要研究对象,探究了溶剂退火对其填充因子的影响,研究发现溶剂退火可以很大程度上改变给受体的相分离尺寸和均匀性,进而影响其填充因子,在最优实验条件下实现了超过78%的填充因子,这是目前小分子电池的最高水平。瞬态光电压/光电流的研究发现孪生复合的降低是器件填充因子提高的最主要原因,该现象可以由经典的Onsager-Braun模型解释。进一步的Onsager-Braun模型研究指出,在实际的情况下很难保证选择性接触(selective contact),同时在载流子复合满足Langvein复合的情况下,实现最高填充因子需要一个最优的迁移率(5×10-3 cm2 V-1 s-1),这可以作为今后材料/器件设计和优化的指导/参考性指标。

相关成果以《Optimized Phase Separation and Reduced Geminate Recombination in High Fill Factor Small-Molecule Organic Solar Cells》为题,发表在ACS Energy Letters(ACS Energy Lett. 2017, 2, 14−21, DOI: 10.1021/acsenergylett.6b00556)上。作者为Jun Yan(颜骏), Quanbin Liang(梁铨斌), Kaikai Liu(刘凯凯), Jingsheng Miao(缪景生), Hui Chen(陈晖), Sha Liu(刘莎), Zhicai He(何志才), Hongbin Wu(吴宏滨),* Jinliang Wang(王金亮),* and Yong Cao(曹镛)。相关工作得到了国家自然科学基金,北京市自然科学基金和中央高校基本科研业务费专项资金的资助。

聚合物受体侧链工程实现形貌最优化的高效稳定全聚合物太阳电池(曹镛院士团队段春晖、黄飞)

近年来,体异质结(BHJ)光活性层的给体和受体都由共轭聚合物组成的全聚合物太阳电池(all-PSCs)受到研究人员越来越多的关注。相对于研究广泛的聚合物:富勒烯太阳电池,all-PSCs将表现出诸多关键性的优势,包括较强而宽的光吸收、优异的形貌稳定性和机械耐疲劳性等。过去五年内,all-PSCs的光电转换效率(PCE)从2%增长到了8−10%。效率超过8%的all-PSCs则非常有限,同时也相对落后于更高效率的基于富勒烯和基于新型的小分子非富勒烯受体的太阳电池。主要是因为BHJ聚合物:聚合物共混膜的形貌难以控制,使得all-PSCs难以产生高效的电荷及有效的传输。这种非理想的形貌特别表现在all-PSCs器件的填充因子(FF)较低,总体上超过0.70的FF是比较少见的,也就使得all-PSCs在效率上得到了限制。

近日,华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室曹镛院士团队的段春晖教授、黄飞教授等人报道一种调节all-PSCs共混膜纳米形貌的新策略。作者通过引入线性寡聚乙二醇(OE)侧链用以替换部分萘二酰亚胺(NDI)单元的支化链,开发了一系列基于NDI的聚合物受体。部分引入的OE侧链将会调节聚合物的结晶、改善载流子迁移率以及微调聚合物共混膜的混溶性。通过不同含量的OE侧链NDI单元的引入分别合成NOE0(即商业化受体聚合物N2200)、NOE10、NOE20以及NOE30。作者发现,OE链的引入对聚合物的光学和电化学性能的影响较小,但能改变相应聚合物及其共混膜的表面能和结晶性。相比于NOE0,基于PBDT-TAZ:NOE10的器件获得8.1%的PCE,同时更高的短路电流密度(12.9 mA cm-2)以及高达0.75的FF。这是目前报道all-PSCs的最高FF之一,显示了实现更高效率的all-PSCs的巨大潜力。作者进行了深入细致的形貌分析,证实基于NOE10的共混膜具有更合适的相分离以及更好的垂直梯度分布,使得其BHJ形貌达到最优化,这是基于NOE10的all-PSCs获得超过8%的高效率的原因。更重要的是,基于NOE10的all-PSCs表现出非常好的长期稳定性和热稳定性,相较于其他高效溶液加工有机太阳电池体系具有更大的优势。总之,这项研究工作提供了一种优化all-PSCs共混膜形貌以及效率的有效策略,同时NOE10也展现了其替代商业化受体聚合物N2200的巨大潜力。相关工作发表在Journal of the American Chemical Society 上。

此项研究得到了来自德国Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg的Christoph J. Brabec教授课题组、荷兰Eindhoven University of Technology的René A. J. Janssen教授课题组以及美国University of California, Santa Barbara的Guillermo C. Bazan教授的协助。同时,GIWAXS和RSoXS的表征得到上海交通大学刘烽课题组的帮助。论文的第一作者为华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室的博士研究生刘熙。研究得到来自中组部、科技部、国家自然科学基金委及国家留学基金委等基金资助。

合理设计与合成交叉共轭型小分子受体材料及其在非富勒烯聚合物太阳能电池中的应用(黄飞教授课题组)

聚合物太阳能电池(PSCs)因其质轻、价廉、可溶液加工以及能够实现“卷对卷”印刷制备大面积柔性器件等优点而备受关注,而且,随着光活性层材料(包括电子给体与电子受体材料)的不断设计和开发,有机太阳能电池的光电转化效率(PCE)在单层和叠层器件中均已突破14%。但是,目前高效的PSCs一直在围绕ITIC明星小分子受体材料改性,其发展空间已经很小,所以有待开发新的结构和体系。

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课题组结合了A-D-A型受体和PDI型受体的优点,以苯并二噻吩(BDT)为核,噻吩和炔键分别作为桥接单元,设计合成了三个新型的交叉共轭型小分子受体材料PDIBDT-RDN、PDIBDT-IT、PDIBDT-ITF,并系统地研究了它们的热学、光学、电化学和光伏性能。一方面,A-D-A结构导致分子内电荷转移,赋予分子强的跃迁偶极和宽而强的可见甚至近红外吸收;并且可通过改变端基A单元种类,来便捷地调节分子的能级和吸收光谱,从而实现与给体组合的多样化。另一方面,PDI作为构筑非富勒烯受体材料的一个有用单元,其具有较大的电子亲和能、π-π共轭平面、较高的电子迁移率以及优异的光、热、化学稳定性。在分子四个方向上同时引入这两种不同的受体材料,使其电荷传输更接近于富勒烯及其衍生物类电荷传输的各向同性,而且合成的这类受体小分子相比于普通的PDI类小分子,其吸收有所宽化。最终,基于以腈基茚酮作为端基的小分子受体材料PDIBDT-IT获得的器件,由于其有效的激子解离、高的电子迁移率和电荷传输的相对平衡,表现出6.06%的最高能量转化效率(开路电压VOC:0.74 V,短路电流JSC:13.60 mA/cm2,填充因子FF:60.45%),表明这种交叉共轭的分子设计策略的提出为未来高效非富勒烯有机太阳能电池中的活性层材料的设计提供了一个新的思路。

相关成果以《A Rational Design and Synthesis of Cross-Conjugated Small Molecule Acceptors Approaching High-Performance Fullerene-Free Polymer Solar Cells》为题,发表在Chemistry of Materials(DOI: 10.1021/acs.chemmater.8b01491)上。作者为Yan Liu(刘艳),Gongchu Liu(刘功础),Ruihao Xie(谢锐浩),Zhenfeng Wang(王圳峰),Wenkai Zhong(钟文凯),Yuan Li(李远)*,Fei Huang(黄飞)*,Yong Cao(曹镛)。相关工作得到了国家自然科学基金,国家科技部基金和广州市科技计划项目的资助。

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