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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5期 (总第49期)

时间:2018-09-15 14:56      发布人:何秋云      阅读:63

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实验室应磊教授与胡蓉蓉教授成功入选优青

近日,国家自然科学基金委正式公布了2018年国家自然科学基金申请项目评审结果,来自全国150家依托单位的400名青年科研人员获得国家优秀青年科学基金项目的资助。华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室胡蓉蓉、应磊教授成功入选。

国家优秀青年科学基金是国家杰出青年基金的铺垫性科技支撑基金,2012年首次作为人才项目系列中的一个项目类型。优秀青年科学基金项目与青年科学基金项目和国家杰出青年科学基金项目之间形成有效衔接,促进创新型青年人才的快速成长,主要支持具备5—10年的科研经历并取得一定科研成就的青年科学技术人员,在科研第一线锐意进取、开拓创新,自主选择研究方向开展基础研究。

胡蓉蓉,女,1985年出生,博士,教授。主要研究领域为炔类单体的多组分聚合与新型发光功能材料。已发表SCI收录论文110篇,其中以第一/通讯作者在Chemical Society Reviews, Journal of American Chemical Society, Macromolecules等期刊上发表论文33篇,包括ESI高被引论文2篇。论文共被他引3390次,h因子为33。主持国家自然科学基金面上项目和青年项目、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等,并荣获广东省青年珠江学者和“特支计划”科技创新青年拔尖人才等称号。

应磊,男,1983年出生,博士,研究员。主要从事有机聚合物光电功能材料开发及产业化关键技术研究。在Adv Mater、Energy Environ Sci、Nat Commun等SCI期刊上发表论文130余篇(其中第一/通讯作者论文90余篇),被引用3000余次,共9篇论文入选ESI高被引论文。获授权美国发明专利5件,中国发明专利3件。入选广东省杰青、广东特支计划青年拔尖人才等。

山西晋城中学同学到实验室参观学习

7月10日下午,山西晋城中学的同学在老师的带领下到实验室参观学习,实验室陈炤副主任负责接待,姚日辉教授引领讲解。

在姚日辉教授的讲解下,同学们先后了解了实验室的基本信息,研究方向,以及人才培养模式。并先后参观了飞秒激光平台,超净室与成果展示室。

陈炤副主任向同学们介绍,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。而实验室高度重视人才队伍的建设,不仅做好人才引进工作,更加重视人才的培养工作。并鼓励前来参观的同学报考华南理工大学。

国家外专局一行来实验室参观访问

7月11日下午,国家外国专家局教科文卫专家司副司长易凡平等一行来实验室参观访问,了解实验室重点引智项目建设进展。实验室主任马於光教授负责接待工作。

马於光主任首先详细介绍了高分子塑料光电材料研究学科创新引智基地外专队伍建设、学术研究方向、高层次人才培养、高水平国际科技合作等方面的情况。

随后一行参观了国重室的超净、超快光学平台、小角度x射线散射式、核磁室等仪器测试平台,并重点参观了成果展示室。并与在实验室办公的外教交流合影。

易凡平对实验室近年来在积极落实国家引智政策精神中采取的措施和取得的成果给予了高度肯定,并表示国家外专局后续将继续大力支持各项引智工作。

广东省政协张嘉极副主席一行来实验室考察

7月13日下午,广东省政协副主席张嘉极一行考察实验室。实验室副主任陈炤代表实验室对张嘉极一行的来访表示欢迎,并向来访客人介绍实验室的建设发展情况,以及近年来取得的工作成绩。

随后,张嘉极一行参观了实验室的超净室、超快光学平台、小角度x射线散射式、核磁室等仪器测试平台,成果展示室。苏仕健教授介绍了在研国家重点研发计划项目取得的阶段性成果。

张嘉极一行高度评价了实验室近年取得的突出成果,并鼓励实验室加大成果转化力度,为国家和地方经济发展做出更大贡献。

发光材料与器件国家重点实验室青年骨干人才简介:夏志国教授

夏志国,理学博士,华南理工大学教授,国家优秀青年科学基金获得者。2008年博士毕业于清华大学化学系,获理学博士学位,并荣获2008年清华大学优秀博士学位论文一等奖;2008年至2013年在中国地质大学(北京)材料科学与工程学院任讲师、副教授。2014年至2018年6月在北京科技大学材料科学与工程学院任教授。2018年7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。2009年、2011年和2015年分别到意大利比萨大学物理系、台湾大学化学系、美国西北大学化学系开展访问研究。以第一/通讯作者发表SCI论文160余篇,包括Chem. Soc. Rev. (1篇)、Prog. Mater. Soc. (1篇)、Acc. Chem. Rev. (1篇)、 Adv. Mater. (1篇)、 J. Am. Chem. Soc. (4篇)、Angew. Chem. Int. Ed. (1篇)、Adv. Funt. Mater. (2篇)、Chem. Mater. (6篇)、J. Mater. Chem. (A/C) (24篇)等。已发表文章被SCI他引3600余次,H指数42。授权中国专利5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20余次,作为会议共同主席举办第四届长余辉与光激励荧光粉国际会议(4PPP-2018);主持5项国家自然科学基金项目,曾获得首届中国稀土学会青年科学家奖、入选教育部新世纪优秀人才、北京科技新星和北京青年英才计划。现任Journal of Luminescence (Elsevier)期刊Associate Editor,中国稀土学会发光专业委员会委员、中国材料研究学会青年委员会常务理事以及中国化学会、中国晶体学会和美国化学会会员。

夏志国教授多年来主要从事无机发光材料与无机固体化学领域的研究,围绕稀土发光材料的结构与性能调控,提出了矿物结构模型筛选和结构单元共取代的设计理念,为实现新材料基质结构体系的高效开发和性能提升提供了晶体学基础(Prog Mater Sci 2016, 84, 59.; J Am Chem Soc 2015, 137, 12494.; Chem Soc Rev 2017, 46, 275.; Acc Chem Res 2017, 50, 1222. Adv. Mater., 2018, 30 1802489.);揭示了稀土发光材料基质局域结构对一些材料发光性能的影响机制,实现了其光谱调制和热稳定性增强(J Am Chem Soc 2016, 138, 1158.; Chem. Mater., 2017, 29, 1430. Sci. Adv., 2018, doi: 10.1126/sciadv.aav0363.; );调控激活离子在掺杂发光材料中多尺度微结构中的价态、分布和能量传递过程,实现了发光材料的光色调控和效率提升(J Am Chem Soc 2017, 139, 1436.; Adv Funct Mater 2017, 27, 1700051.; Adv Funct Mater 2018, 28, 1804150.)。

发光材料与器件国家重点实验室主要研究进展介绍:

抑制非辐射复合损失——超高开路电压及超低电压损失的高效有机太阳电池新体系(曹镛院士团队段春晖教授黄飞教授)

对比于诸如硅晶电池的其他传统光伏技术,将实验室规模的有机太阳电池器件转移至工业应用还需要很大的努力。其中,限制有机太阳电池器件光电转换效率 (PCE) 的一项重要因素是其开路电压 (Voc),这是由于来自从活性层材料的光学吸收带隙 (Eg) 到电池器件Voc的较大的电压损失 (Vloss)。Vloss可以通过公式Vloss = Eg/qVoc分析,其中Eg为活性层材料的光学带隙,q为基本电荷。高效硅晶和钙钛矿太阳电池的Vloss处于0.30–0.55 V,然而大部分经典有机太阳电池体系的Vloss处于0.7至1.0 V,只有一些体系的Vloss低于0.7 V。因此,PCE大于10%的高效有机太阳电池体系较难实现超过1.0 V的Voc。有机太阳电池相对大的Vloss来自于其较高的非辐射复合损失 (ΔVoc,nr),反映在其共混膜器件的电致发光量子效率 (EQEEL) 较弱 (通常为10−8–10−6)。到目前为止,大部分有机太阳电池的ΔVoc,nr处于0.30–0.48 V范围内,其是电压损失的最后一个路径,而且对于有机光伏领域该损失还尚未得到明确的分析和理解。因此,发展一种可以通过抑制非辐射复合损失 (<0.30 V) 而同时实现高Voc (>1.20 V) 和低Vloss (<0.50 V) 的新型给体:受体体系不仅对与有机太阳电池效率的优化至关重要,而且也为器件物理研究提供全新的研究对象。

近期,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新型有机太阳电池体系,给体采用具有较深HOMO能级的聚合物 (BDT-ffBX-DT),受体为三种基于苝二酰亚胺 (PDI) 结构单元的小分子 (SFPDI、PDI4和PDI6)。最终的器件结果表明所有的BDT-ffBX-DT:PDI的组合都具有超过1.10 V的Voc以及低于0.30 V的非辐射Voc损失,而且PCE均大于6%。最值得注意的是,基于BDT-ffBX-DT:SFPDI的体系可以获得超高Voc (高达1.23 V),同时还具有超低的非辐射Voc损失 (低至0.20 V),这是目前文献报道的有机太阳电池体系的最好结果。其超高Voc和超低非辐射Voc损失受益于其高的EQEEL (约为10−4),比绝大多数经典有机太阳电池体系高出两个数量级。因此,基于BDT-ffBX-DT:SFPDI共混膜的有机太阳电池的非辐射复合损失低至0.20 V,非常接近经典硅晶电池 (0.18 V),是目前有机太阳电池体系报道的最低结果。

此项研究的结果表明有机太阳电池体系具有同时实现光电压和电压损失达到无机/杂化太阳电池的同等水平的潜力。此外,这种高Voc体系还可以成为叠层器件子电池的非常好的选择,进一步将可以用于新兴能源研究。相关工作发表在Advanced Energy Materials (DOI: 10.1002/aenm.201801699) 上。

此项研究得到了来自德国Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg的Christoph J. Brabec教授、Ning Li博士等人的协助。GIWAXS和RSoXS的表征得到上海交通大学刘烽课题组的帮助。PDI4和PDI6由中科院化学所王朝晖教授课题组提供。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,共同一作为Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg的Xiaoyan Du博士和华南理工大学的王君易。研究得到来自中组部、科技部、国家自然科学基金委资助。

基于FAPbBr3全溶液高效钙钛矿发光二极管(王坚教授课题组)

金属卤化物钙钛矿(MHP)材料由于其优异的光电性质,近几年在光电领域发展迅速。与钙钛矿太阳能电池的快速发展相比,钙钛矿发光二极管(PeLED)的研究,目前仍然处于初步发展的阶段,其效率是需解决的问题之一。有着多层薄膜结构的钙钛矿电致发光器件,界面性质成为制约器件性能的关键。为了提高器件性能,有必要优化器件的各个界面。在阳极侧,空穴注入层(HIL)和发光层(EML)之间的界面在空穴注入、激子猝灭、电子阻挡和钙钛矿层的成膜质量方面起着重要作用。在阴极侧,电子注入层(EIL)和EML之间的界面影响电子注入效率、激子解离和空穴阻挡能力。目前,基于MA体系的CH3NH3PbBr3钙钛矿材料已被大量研究,器件电流效率达到了42 cd/A。然而,基于MA的MHP受热或水分的影响会发生降解。为了增加MHP的结构和热稳定性,可以用离子半径较大的甲脒(FA+)替代MA+。但迄今为止,关于FAPbB3的研究较少。

近期,华南理工大学发光材料与器件国家重点实验王坚教授课题组通过使用氧化锌纳米颗粒(ZnO NPs)作为电子注入层(EIL)和PEDOT:PSS 8000作为空穴注入层(HIL),制备了基于FAPbBr3的正装高效钙钛矿电致发光器件(PeLED),该FAPbBr3器件是以空穴电流为主导的。为实现载流子平衡,在阳极侧采用PEDOT:PSS 8000作为空穴注入层,取代PEDOT:PSS 4083以抑制空穴电流。虽然PEDOT:PSS 8000具有比PEDOT:PSS 4083更高的功函数,但富含PSS的表面在HIL/EML界面处形成绝缘层,其既阻挡空穴电流有助于电荷平衡又减少界面处的激子淬灭。在阴极侧,通过选用更小粒径的ZnO NPs(迁移率增大、功函数减小)作为EIL以增大电子电流,进一步平衡了过量的空穴电流。最终制备的的PeLED性能如下:最大功率效率为22.3 lm W-1,最大电流效率为21.3 cd A-1,外量子效率4.66%,最大亮度为1.09×105 cd m-2。在10 000 cd m-2的初始亮度下,T50为436 s。器件启亮电压(1.75 V)低于其带隙,归因于俄歇辅助能量上转换过程。

相关成果以《All-Solution-Processed Pure Formamidinium-Based Perovskite Light-Emitting Diodes》为题,发表在ACS Nano(Adv. Mater. 2018, 1804137,DOI: 10.1002/adma.201804137)上,作者为Juanhong Wang(王娟红),Chen Song (宋晨),Zhiwei He(何志伟), Chaohuang Mai(麦超晃),Gancheng Xie(谢淦澂),Lan Mu(穆兰), Yangke Cun(寸阳珂), Jiali Li(黎佳立),Jian Wang(王坚)*,Junbiao Peng(彭俊彪),Yong Cao(曹镛)。相关工作得到了国家科技部,国家自然科学基金委员会和广东省科学技术厅的资助。

钙钛矿发光二极管载流子复合机制研究(叶轩立课题组)

钙钛矿发光二极管经过近几年的研究,虽然已经分别在近红外,红光和绿光上实现了超过10%的能量转换效率,但是,关于钙钛矿中载流子复合动力学以及钙钛矿发光器件之间物理联系的基础研究在本领域依然十分欠缺。明确该根本联系有利于解构钙钛矿的发光本质,从而设法更进一步地提高钙钛矿发光二极管的发光效率。

基于此,华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室的叶轩立课题组通过在CH3NH3PbI3中引入不同浓度的poly(2-ethyl-2-oxazoline) (PEOXA)来从几百纳米到几十纳米调节钙钛矿的晶粒大小,如图1所示,同时利用瞬态吸收动力学和时间分辨光致发光来研究不同晶体尺寸的CH3NH3PbI3薄膜的复合动力学,进而找出其与相应的钙钛矿发光二极管器件行为之间的联系。结果表明, 随着晶粒尺寸的减小,双分子复合(k2)和俄歇复合(k3)的效率越来越高,而钙钛矿薄膜的单分子复合(k1)主要受限于其本身的缺陷态密度。在三维钙钛矿发光中,辐射复合主要为双分子复合,而非辐射复合主要为单分子复合和俄歇复合。通过用辐射复合和总复合的比例来定义辐射效率Φ(n) = nk2/(k1+nk2+n2k3), 其中n为载流子密度,我们发现器件的EQE曲线和辐射效率曲线Φ(n)的变化趋势相一致,如图1所示,证明了钙钛矿发光二极管的器件行为受到了其薄膜的复合动力学影响。这一发现有助于人们理解钙钛矿发光二极管的发光行为。这项研究向建立薄膜结构、复合动力学和钙钛矿发光二极管器件行为之间的关系迈出了重要的一步,从而为设计更好的钙钛矿发光二极管器件提供了有用的见解。

相关成果以《Recombination Dynamics Study on Nanostructured Perovskite Light-Emitting Devices》为题,发表在国际顶级期刊《先进材料》上(Adv. Mater. 2018, DOI: 10.1002/adma.201801370),作者为Ziming Chen(陈梓铭), Zhenchao Li(黎振超), Chongyang Zhang(张重阳), Xiao-Fang Jiang(姜小芳), Dongcheng Chen(陈东成), Qifan Xue(薛启帆), Meiyue Liu(刘梅月), Shijian Su(苏仕健), Hin-Lap Yip(叶轩立),* Yong Cao(曹镛)。相关工作得到了国家科技部,国家自然科学基金委员会和广东省科学技术厅的资助。

高效CsPbI2Br全无机钙钛矿太阳电池的界面工程(叶轩立课题组)

全无机钙钛矿电池具有比有机-无机杂化钙钛矿电池更好的热稳定性、适用于叠层电池的宽带隙子电池,在近几年受到了人们的热切关注,并取得了一系列显著的突破。但由于CsPbI3存在结构不稳定的问题,而CsPbBr3由于带隙过大而不适用于制备高效太阳能池。因此混合卤素的CsPbI2Br由于拥有更好的结构稳定性和较宽的吸收受到了更多的关注。然而目前能量损失(> 0.7 eV)成为制约制备高效的CsPbI2Br电池的最主要因素。

近期,华南理工大学发光材料与器件国家重点实验薛启帆博士和叶轩立教授通过引入SnO2/ZnO双电子传输层来减小电池的能量损失,由于ZnO具有更高的导带(-4.21 eV),使钙钛矿与SnO2/ZnO之间的能级更为匹配,SnO2/ZnO双电子传输层具有比单层更强的载流子收集能力,并且能够有效抑制界面缺陷复合。从而制备了开路电压达到1.23V,效率高达14.6%全无机CsPbI2Br钙钛矿太阳能电池

相关成果以《Interface Engineering for All-Inorganic CsPbI2Br Perovskite Solar Cells with Efficiency over 14%》为题,发表在Advanced Materials(Adv. Mater. 2018, 30, 1802509)上,作者为Lei Yan (鄢磊), Qifan Xue(薛启帆),* Meiyue Liu(刘梅月), Zonglong Zhu(朱宗龙), Jingjing Tian(田晶晶), Zhenchao Li(黎振超), Zhen Chen(陈震), Ziming Chen(陈梓铭), He Yan(颜河), Hin-Lap Yip(叶轩立)* and Yong Cao(曹镛)。相关工作得到了国家科技部,国家自然科学基金委员会等资助。

7–8月份境内外学者来国重室访问交流情况