沈平教授课题组在聚合物太阳能电池领域取得高水平研究成果

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由于能量转换效率的迅速提高，基于非富勒烯小分子受体材料的聚合物太阳能电池成为当前新材料和新能源领域的研究热点和焦点。近两年，我校化学学院沈平教授课题组在新型小分子受体材料的构筑及其在高效二元/三元聚合物太阳能电池器件制备方面连续取得高水平的研究成果，先后在英国皇家化学学会的《材料化学A/C》（Journal of Materials Chemistry A/C）和美国化学会的《应用材料与界面》（ACS Applied Materials & Interfaces）等材料类顶级期刊发表研究成果。
       2020年7月，该课题组基于新型小分子受体材料的高效三元聚合物太阳能电池的研究成果发表在《材料化学C》（一区TOP期刊，影响因子7.059），题目为“小分子/富勒烯受体合金：一种提高三元聚合物太阳能电池效率和热稳定性的有效策略”（Small-molecule/fullerene acceptor alloy: a powerful tool to enhance device efficiency and thermal stability of ternary polymer solar cells），如图1。第一作者硕士研究生尹攀，通讯作者是沈平教授。该论文通过引入新型小分子受体材料IDT-OT构筑了高效三元聚合物太阳能电池，研究表明，小分子受体和富勒烯类受体间形成的合金是该三元体系的光伏性能和热稳定性提高的根本原因。研究证实，该受体合金之间同时存在能量转移和电荷转移，其工作机理目前文献罕见报道。早在2018年10月，该课题组就在基于小分子受体材料的高效三元聚合物太阳能电池方面的取得了很好的研究成果，在《材料化学A》（一区TOP期刊，影响因子11.301）上发表了题为“引入新型七环非富勒烯受体构筑高效厚膜和大面积的三元聚合物太阳能电池”（Achieving efficient thick active layer and large area ternary polymer solar cells by incorporating a new fused heptacyclic non-fullerene acceptor）的研究论文（图2）。论文的第一作者硕士研究生尹攀，通讯作者是沈平教授，苏州大学的崔超华副教授为共同通讯作者。该成果通过在二元聚合物太阳能电池中引入新型七环小分子受体材料DTCFOIC构筑了高效的厚膜和大面积的太阳能电池器件，这一特征表明该三元体系在有机太阳能电池的大规模生产制备方面具有很大的应用潜力。

图1小分子受体IDT-OT的分子结构式和三元器件结构及工作机理示意图

图2构建三元器件的材料分子结构式、器件结构及其光伏性能

       小分子受体材料更多地用于高效二元聚合物太阳能电池的制备。2019年12月，沈平教授课题组美国化学会《应用材料与界面》（一区TOP期刊，影响因子8.758）上发表了题为“基于二茚并吡嗪单元的中等带隙的A-π-D-π-A型小分子受体材料用于构筑非卤代溶剂加工的高效聚合物太阳能电池”（Nonhalogenated-Solvent-Processed Efficient Polymer Solar Cells Enabled by Medium-Bandgap A-π-D-π-A Small-Molecule Acceptors Based on 6,12-Dihydro-diindolo[1,2-b:10,20-e]pyrazine Unit）的研究论文。该论文的第一作者硕士研究生陈丽，通讯作者是沈平教授。该研究开发的基于二茚并吡嗪的A-π-D-π-A类小分子属于新型中带隙受体材料，其适配的聚合物给体材料范围得到较大扩展。光伏器件制备采用了非卤代体系溶剂，其能量转换效率高于卤代体系，在利用环境友好的非卤代溶剂体系制备高效有机太阳能电池方面具有很大的应用价值和理论研究意义。稍早的时间（2019年7月），该课题组还在《材料化学C》（一区TOP期刊，影响因子7.059）上发表了题为“基于引达省并二噻吩非富勒烯受体材料的共轭侧链优化获得高效的聚合物太阳能电池”（Conjugated side-chain optimization of indacenodithiophene-based nonfullerene acceptors for efficient polymer solar cells）4。第一作者硕士研究生梁景堂，通讯作者是沈平教授，苏州大学的崔超华副教授为共同通讯作者。该研究在引达省并二噻吩单元上创造性的引入共轭侧链拓宽了小分子受体吸收光谱、降低光学带隙和抬高LUMO能级的并最终提高聚合物太阳能电池器件的光伏性能，为新型小分子受体材料光电性质的调控提供了一种新的设计思路，具有明显的理论研究价值和实际开发意义。
       上述发表的4篇论文均以我校化学学院为第一通讯单位，由沈平教授为第一通讯作者。沈平教授课题组一直开展高效有机/聚合物太阳能电池材料的开发和器件制备方面的研究工作。其课题组日常规模在6-9名硕士研究生，每年培养毕业2-3名硕士生。近年来，该课题组与中科院北京化学研究所李永舫院士、苏州大学崔超华副教授、北京化工大学张志国教授及我校化学学院谭松庭教授、翁超博士等开展了深入交流与合作，现已发表研究论文40多篇（第一/通讯作者），主持完成国家自然科学基金项目2项、湖南省教育厅项目3项和湖南省自然科学基金项目2项，参与获得湖南省自然科学二等奖2项。


      附文章原文链接地址：
      Journal of Materials Chemistry C, 2020, DOI: 10.1039/D0TC00329H.
      https://doi.org/10.1039/D0TC00329H
     Journal of Materials Chemistry A, 2018, 6, 20313-20326.
     https://doi.org/10.1039/C8TA06836D
     ACS Applied Materials & Interfaces, 2019, 11, 48134-48146.
     https://doi.org/10.1021/acsami.9b17185
     Journal of Materials Chemistry C, 2019, 7, 10028-10038.
      https://doi.org/10.1039/C9TC02237F


      文章来源：湘潭大学
      沈平，湖北广水人，博士，教授，湘潭大学化学学院有机化学专业博士生导师。2004年硕士毕业后到湘潭大学化学学院工作。2008年获湘潭大学高分子化学与物理专业博士学位，其博士学位论文被评为“湖南省优秀博士论文”。2012-2014在中国科学院化学研究所李永舫院士研究组从事博士后研究工作。研究方向为有机/聚合物光电功能材料的设计、合成与光电性能研究。近年来先后主持承担国家自然科学基金项目2项，湖南省自然科学基金项目2项，湖南省教育厅项目3项，中国博士后科学基金面上项目1项,国家重点实验室开放课题1项。作为主要参与人获得湖南省自然科学二等奖2项，湘潭市自然科学优秀论文特等奖2项。发表SCI收录论文60余篇，其中第一或通讯作者研究论文20多篇。