朱晓张课题组发展了兼具高效率-低成本-高稳定的n-型光伏材料

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近年来，得益于非富勒烯受体的发展，有机太阳能电池的光电转换效率取得了重大突破，然而同时兼具高稳定性、低成本和高效率的有机光伏材料与器件仍具挑战，成为其商业化应用的制约瓶颈。 　　  
　　在国家自然科学基金委、科技部和中科院的支持下，化学研究所有机固体院重点实验室朱晓张研究员课题组在n-型光伏材料与器件研究方面开展深入研究，发展了系列高性能光伏受体材料，并构筑了系列高性能光伏器件（X. Zhu, et. al. J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 15523; Adv. Mater. 2017, 29, 1606574; Nat. Energy 2018, 3, 952; Adv. Mater. 2020, 31, 1906324）。 　　  

图   兼具高效率、低成本、高稳定性的全稠环F-受体材料

　　基于在n-型光伏材料的设计、合成及器件应用方面的积累，受到高迁移率稠环有机半导体成功设计的启发，该课题组在2021年提出了“全稠环电子受体（AFAR）”的设计概念，发展了高稳定性的光伏受体材料，其表现出更低的分子重组能和优异的化学、光化学及热稳定性，实现了接近10%的效率，相关成果发表在CCS Chem. 2021, 3, 1070–1080上。
　　最近，他们通过引入基于苯并噻二唑的核心骨架，发展了新的全稠环电子受体材料（F-受体），实现了近红外响应性。为了解决非富勒烯受体的宏量制备问题，研究人员利用高效分子内双C-H活化/环化方法开发了一套完整的合成路线，实现了一天内10克级材料的宏量制备。与目前报道的非富勒烯受体相比，其表现出更低的合成成本（与P3HT的成本相当）。研究表明F-受体具有比主流3-（二氰基亚甲基）靛酮（ICNC）类受体更加优异的薄膜稳定性。单晶X射线结构分析表明F-受体具有三维蜂窝型堆积结构，有利于电荷传输。基于全稠环电子受体的器件获得了13%的光电转化效率，是非INCN类受体材料的效率最高值。此外，空气中加工基于F-受体的器件展示出优良的光稳定性， 表现出极小的“burn-in”损失。该工作为协同解决有机太阳能电池中的成本、效率和稳定性难题提供了成功范例，相关成果发表在CCS. Chem. 2022, DOI: 10.31635/ccschem.022.202201963上，论文第一作者为博士生刘文睿、许胜杰副研究员和华南理工大学博士生赖寒健，通讯作者为朱晓张研究员。


        文章来源：化学所
       朱晓张 研究员，2001年在吉林大学化学系获得学士学位，2006年在中国科学院化学研究所获得博士学位，2006-2012年先后在德国乌尔姆大学和日本东京大学从事博士后研究，2012年加入中科院化学所有机固体院重点实验室任研究员，2015年起任中国科学院大学岗位教授，现为中国化学会青年化学工作者委员会委员，中国侨联特聘专家和德国Thieme出版社Organic Materials杂志亚洲区编委。主要从事有机光电材料与器件领域的研究，开展独立研究以来，基于醌式结构及效应系统发展了醌型有机光电功能材料，包括高性能半导体材料、光伏给受体材料和热电材料等，过去五年作为通讯作者（第一单位）在Nat. Energy.，Acc. Chem. Res.， J. Am. Chem. Soc.和Adv. Mater.等高水平刊物上发表研究论文50余篇，申请专利8项。申请人曾获得中国科学院“优秀毕业生”荣誉称号（2006）、德国洪堡奖学金（2006）、日本学术振兴会奖学金（2009），日本化学会“The Distinguished Lectureship Award”（2017）。近五年培养研究生获奖30余人次，包括中科院院长奖、唐敖庆化学奖学金、国家奖学金、化学所所长特别奖、化学所青年科学特别奖等。