中科院苏州纳米所马昌期

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马昌期,苏州纳米所研究员。1998年8月毕业于北京师范大学化学系，获理学学士学位。2003年5月在中国科学院理化技术研究所（原感光化学研究所）获理学博士学位。2003年6月-2004年1月在英国Heriot-Watt大学从事博士后研究。2004年2月得到德国洪堡基金会资助在德国乌尔姆大学有机化学II及先进功能材料研究所做合作研究。2007年1月起在德国乌尔姆大学有机化学II及先进功能材料研究所做Habilitand，任树形共轭分子及有机薄膜光伏研究组组长。在德国工作期间，主持负责德国国家自然科学基金（DFG）以及德国联邦教育与研究部门项目（BMBF）各一项。长期从事有机光电功能材料的设计、合成、表征已及应用研究。主要侧重于具有大共轭体系的寡聚，高聚功能材料的分子设计与合成，及其在有机太阳能电池，有机晶体管，有机电致发光等方面的应用。在Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Funct. Mater., J. Am. Chem. Soc.等杂志发表论文学术论文30余篇，相关结果被引用超过430多次。并多次在国际学术会议上作报告。2011年6月起任中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所研究员。


姓 名:马昌期        
性    别:男
职 务:
职    称:研究员
学 历:博士研究生        
通讯地址:苏州工业园区若水路398号
电 话:
邮政编码:215123
传 真:
电子邮件:cqma2011@sinano.ac.cn

研究领域：
1．功能半导体材料的合成与电子油墨的制备；
2．印刷薄膜光伏器件的结构设计；
3．印刷薄膜光伏器件的制备工艺。

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全溶液法制备高效半透明钙钛矿太阳能电池

有机-无机铅卤钙钛矿太阳能电池因其较高的光电转换效率以及低廉的制造成本，引起了学者的广泛关注和研究。迄今为止，基于这类材料的固态薄膜太阳能电池效率已经超过22%，可以与商用的硅基太阳能电池相媲美，展示出巨大的应用前景。但目前钙钛矿太阳能电池电极主要是通过真空蒸镀或磁控溅射法制备。真空法制备电极设备昂贵、耗时耗能，且与钙钛矿电池溶液法加工工艺不兼容，提高了器件制备成本。利用溶液法制备金属电极则可以降低钙钛矿太阳能电池器件的制备成本，因而具有十分重要的意义。但由于钙钛矿薄膜对溶剂特别敏感，在钙钛矿薄膜上方印刷制备金属电极具有极大挑战。

中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所印刷电子学研究部马昌期课题组和合作者首次使用喷墨打印的纳米银线作为半透明钙钛矿太阳能电池的顶电极。银纳米线作为半透明顶电极具有优异的透光性和导电性。作者的研究结果表明，印刷银线顶电极过程中界面层起到至关重要的作用。当将银纳米线直接打印在富勒烯电子传输层(PCBM)上，银纳米线会和卤素离子发生反应，从而使器件效率很低。通过在富勒烯电子传输层上引入一层聚乙酰亚胺（PEI），一方面PCBM与银纳米线电极间的注入势垒会大幅度减小；更重要的是，PEI会抑制打印过程中银纳米线的化学腐蚀。PEI的引入大幅度的改善了器件性能和稳定性，最终获得了效率为14.2%，可见光透过率为 21.2%的半透明钙钛矿电池。

这项工作为全溶液法制备半透明钙钛矿电池提供了一项简单可行的技术，可以有效的降低钙钛矿电池制作成本，此类高效率的钙钛矿太阳能电池在光伏建筑一体化中具有重要的开发价值。相关结果发表在Solar RRL （DOI:10.1002/solr.201700184）上。

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有机聚合物光伏电池光诱导本征减过程机理研究

马昌期

中国科学院中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，印刷电子技术研究中心，江苏省苏州市工业园区若水路398号，邮编：215123

cqma2011@sinano.ac.cn

有机聚合物光伏电池因其质轻性柔、可溶液法加工制备等优势，在便携式充电设备、光伏大棚、光伏建筑一体化等方面具有很好的应用前景。目前，实验室有机聚合物光伏电池的光电转换效率已经突破了17%[1]，完全能够满足实际应用需求。相比之下，器件的稳定性能成为决定有机聚合物光伏走向市场的关键。光伏器件工作过程中不可避免需要光照，因此光诱导条件下光伏电池的本征衰减过程是有机聚合物薄膜光伏的一个核心科学问题。本报告将介绍本课题组近年来在有机聚合物光伏电池光诱导衰减本征衰减过程研究的一些进展。研究结果表明，有机聚合物-富勒烯薄膜光伏电池的衰减过程通常表现出明显的负载依赖性，这表明衰减过程与光活性层内部激发态分子的浓度密切相关。结合聚合物薄膜结构形貌以及光谱等比较分析，确定其本征衰减与活性层与富勒烯分子的光诱导聚集行为密切相关系[2]。在这一机理理解的基础上，研究组筛选出稳定剂，有效实现了器件的稳定性能[3]。进一步的机理分析结果表明，所使用的稳定剂能够有效减少聚合物的氧化，同时有助于提高富勒烯分子的电荷迁移率，并有效猝灭富勒烯分子的激发三重态，从而实现了效率和稳定性的同步提升。报告最后还将简要介绍课题组在非富勒烯类聚合物薄膜光伏稳定性研究方面的初步成果。

关键词：聚合物光伏电池；本征衰减；负载依赖性；光诱导衰减

参考文献：

[1] Meng, L.; Zhang, Y.; Wan, X.; Li, C.; Zhang, X.;Wang, Y.; Ke, X.; Xiao, Z.; Ding, L.; Xia, R.; Yip, H.-L.; Cao, Y.; Chen, Y.,Science 2018, DOI: 10.1126/science.aat2612.

[2] Yan, L.; Yi, J.; Chen, Q.; Dou, J.; Yang, Y.;Liu, X.; Chen, L.; Ma, C.-Q., J. Mater. Chem. A 2017, 5: 10010.

[3] Yan, L.; Yi, J.; Ma, C.-Q., et. al. unpublishedresults.

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聚合物太阳能电池（PSCs）作为一种新型薄膜光伏电池，具有成本低、可溶液制备、毒性低、材料来源广等优点，被认为是很有前途的新型能源技术之一。要实现PSCs的真正商业化应用，需要满足三大条件：高效率、高稳定性和低成本。经过科学家的不懈努力，目前PSCs的最高效率已超过18%，已接近商业化应用要求。此外，聚合物太阳能电池的轻柔以及可大面积印刷制备等特点，可以大大地降低器件的制备成本。然而到目前为止，文献报道的大多数聚合物太阳能电池的寿命只有几个月，还远未达到实用化要求（10年），对聚合物太阳能电池衰减机理的理解也不够深入。

　　中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所研究员马昌期联合太原理工大学博士闫翎鹏、教授杨永珍一同对聚合物:富勒烯薄膜光伏电池的衰减机理机制以及稳定性提升方法进行了系统的研究。该团队研究发现传统的P3HT:PC61BM太阳能电池的衰减过程中表现出明显的负载依赖性，即器件在开路条件下衰减最快，而在短路条件下衰减最慢，同时这一衰减过程具有一定的可逆性。进一步的分析结果表明，该类光伏电池衰减的负载依赖性主要是由于外接负载的不同导致器件内部电势分布的差异，进而引发活性层内光生高能激子浓度的不同，从而导致活性层中PC61BM激子二聚程度的不同。这一结果表明聚合物:富勒烯光伏电池体系中活性层内受光激发的高能激子的浓度是导致器件衰减的一个重要本征原因（Journal of Materials Chemistry A, 2017, 5, 10010-10020）。
　　在前述工作的基础上，项目团队开发通过在活性层中引入哌嗪——一种富勒烯三重态的猝灭剂有效地抑制了P3HT:PC61BM器件的衰减行为，器件在持续光照1000小时内性能衰减不超过10%。实验的结果同时还表明，活性层内哌嗪掺杂还可以通过与PC61BM间的光诱导电子转移过程，进而提高活性层的电子迁移率，实现器件效率的提升。即哌嗪分子掺杂同时提高了电池的光电转换效率和稳定性。更为重要的是，哌嗪分子掺杂PTB7:PC61BM，PTB7-Th:PC61BM，PffBT4T-2OD:PC61BM等电池均同时提升了这几类电池的光电转换效率和稳定性，表现出优异的协同效应和很广的普适性（Journal of Materials Chemistry A, 2019, 7, 7099-7108）。
　　最近项目团队进一步比较了一系列N取代哌嗪衍生物在聚合物:富勒烯太阳能电池中的掺杂效果，结果发现只有含N-H基团的掺杂剂可以有效提升器件的稳定性。他们通过实验测试分析以及量子化学计算理论模拟发现，哌嗪中的N-H可以与PC61BM中的C-O以及富勒烯球形成分子间氢键，这一过程会拉近两分子距离，从而促进分子间的电荷转移过程，抑制了PC61BM三重态的产生及二聚反应。与此同时，计算模拟的结果表明，哌嗪掺杂可以提升P3HT与PC61BM之间的电子转移过程，同时抑制光照下活性层中的能量转移过程，从而在提升器件效率的同时提升了聚合物太阳能电池的稳定性（ACS Applied Materials & Interfaces, 2020, DOI: 10.1021/acsami.9b23366）。该论文首次从分子层面理解了小分子掺杂剂对聚合物:富勒烯太阳能电池的掺杂作用机制，为其他新型稳定剂的寻找和探究提供了指导，同时也对PSCs的发展有很大意义。中国科学技术大学硕士研究生李泽睿为该文章第一作者，北京师范大学教授谭宏伟在理论计算方面给予了大力支持。