中新網上海新聞12月19日電(彭靜 王靜 許婧)2021年11月，先進低維材料中心特聘研究員唐正課題組有關降低有機太陽能電池器件電壓損失的研究成果，刊於《自然通訊》。
論文“Increasing Donor-Acceptor Spacing for Reduced Voltage Loss in Organic Solar Cells”第一作者為東華大學博士生王靜，第一單位為東華大學先進低維材料中心、纖維材料改性國家重點實驗室、材料科學與工程學院。該成果明確了給受體間距對有機光伏器件電壓損失的影響，並提供了調控給受體間距的材料設計策略，為突破有機太陽能電池效能瓶頸提供了新思路。
“DA間距”新思路
唐正表示，成果的積累源於對有機太陽能電池工作機理的深入理解，器件製備工藝與表徵技術的進步，以及有機光伏材料結構設計的創新。
在科研領域，隨著有機給受體半導體材料的快速發展，有機太陽能電池器件光電轉換效率快速提高，即將突破20%。然而，有機光伏器件效能目前仍然受限於器件較低的輸出電壓，因此，如何減少器件內部電壓損失成為當前有機太陽能電池器件研發領域的焦點和難點問題。在太陽能電池器件中，器件電壓損失源自載流子的複合：有機給受體太陽能電池中，電子與空穴在給受體材料分子介面處相遇並快速複合，導致器件電壓損失過大。一般認為，因有機分子中存在大量的碳碳鍵振動，會加速載流子的複合。因此，有機光伏器件電壓損失總是過大。
在發表於《自然通訊》的論文中，唐正課題組首次提出有機光伏器件中的分子振動對載流子複合的加速作用與給受體間距——“DA間距”相關。課題組透過對有機半導體材料分子結構的微調控，實現了對給受體薄膜中“DA間距”的連續調控，透過增加“DA間距”有效地降低載流子的複合速率，從而降低了器件的電壓損失，提升了器件輸出電壓及光電轉換效率。這一研究成果將有利於設計更高效能的給受體材料，以及開發更理想的共混薄膜沉積工藝方案。
在研究過程中，課題組首先研究了基於給受體單元透過烷基鏈共價相連的雙欖型(DCDA)聚合物的薄膜。透過TEM及GIWAXS測試，發現薄膜具有清晰的微觀結構，而“DA間距”與烷基連線基團的長度相關。然後，透過分析基於DCDA聚合物的有機光伏器件的效能引數，研究人員發現“DA間距”越大，載流子複合速率越小，且器件電壓損失越低，證實了分子振動對載流子複合速率的影響確實與“DA間距”關係緊密。
隨後，課題組透過分子動力學模擬，進一步分析了給受體分子在更常見的本體異質結(BHJ)薄膜中的堆積方式及“DA間距”。研究結果顯示，在高效能BHJ體系中，給受體分子相互堆積方式以平行pi-堆積為主，“DA間距”不到4埃米，因此分子振動對載流子複合影響極大，從而限制器件開路電壓。隨後，課題組透過增加給受體材料的烷基側鏈長度，成功將BHJ薄膜中給受體分子的相互堆積距離增大，實現了載流子複合速率的降低，以及器件開路電壓的提升。(論文連結：https://www.nature.com/articles/s41467-021-26995-1)
此外，課題組近來在相關領域已取得一系列研究成果，相繼發表在Chem.Mater。(2021，33，5147-5155)，J.Mater.Chem.A(2021，9，19770-19777)，J.Mater.Chem.C(2021，9，11753-11760)ACS Photonics (2019，6，1393-1399)等國際學術刊物。
交叉合作 DIY創新
科技創新離不開精準測試儀器的支撐，此論文就是依託課題組自主搭建的高靈敏光譜測試系統開展的研究成果。論文合作方，北京化工大學李韋偉教授、比利時哈塞爾特大學Koen Vandewal教授對該系統予以高度評價，“彌補了國內有機光電測試領域的裝置空白，達國際領先水平”“與國內商業化測試裝置相比，測量靈敏度超過6-8，甚至10個數量級！”。據悉，早在2019年，唐正課題組該套DIY裝置的新鮮出爐，就已在國內外有機光伏研究領域引發關注。得益於類似高水平高靈敏測試系統的搭建，課題組已與中國科學院、北京大學、上海交通大學等科研院所合作發表SCI論文50餘篇，成功申報研究專案10個，在領域裡嶄露頭角。
“此研究只是平臺推進交叉合作的初步成果，還有更多工作有待我們自主創新。”該平臺召集人王明很認同唐正的觀點。他回憶道，2018年，中心主任兼首席科學家在力邀他們這些在海外的學者加盟中心時，描繪的立足低維特色，構建科研體系，促進交叉共享的願景深深吸引了心懷夢想的自己。當時身在加州大學聖巴巴拉分校的王明與在瑞典林雪平大學任職助理教授的唐正、在德國德累斯頓工業大學的洪堡學者馬在飛一拍即合，回國創業！“這樣的平臺避免了年輕人的單兵作戰，是挑戰，更是機遇！”
入職東華3年來，王明、唐正、馬在飛在中心組建了“智慧有機光電研究平臺”，立足學校“新型纖維材料”“先進紡織智慧製造技術”特色研究領域，專注於“有機近紅外光探測器”和“有機光伏電池”等基礎應用研究。其中，王明主攻材料，馬在飛聚焦工藝，唐正專研機理並從理論視角深入分析材料性質、工藝過程中的存在問題和改進策略。3人具體研究各有側重，但在平臺內，甚至在中心內都是緊密合作、資源共享， “這種以合作共享為核心的PI科研管理模式在國際廣泛應用，能夠有效激發創新活力。”
今年，平臺與瑞士相關課題組的合作研發專案還成功獲批科技部的高階外專專案。論文一作、課題組博生生王靜也深有感觸，日常科研需要同學們跨學科學習並整合化學、物理、表徵、形貌等知識，還常得與國內外科研機構進行交流。雖然面臨諸多挑戰，但就是這樣濃厚、開放的創新氛圍堅定了自己還有很多同學讀博深造的決心。
日拱一足，久久為功
該成果的系統研究耗時3年多，唐正說，他很認同中心主任兼首席科學家日常對PI們的叮嚀，“不要急於發論文，深刻的理解、系統的研究更重要”。而對科研工作者而言，這樣的過程就像是在黑夜中的艱苦跋涉。王明打了個比方，在黑夜中的征途上，從0%到80%的階段都要忍受毫無成果的煎熬，唯有硬著頭皮堅持去做，進度推到90%或可看到一絲曙光。馬在飛也感慨說，創業3年激發了自己“短跑速滑”的拼勁，更磨礪了自己“馬拉松”式的韌勁，不僅是做科研，還包括帶學生。
來到東華3年，3位學者最自豪的是自己的學生。在學校支援下，截至今年12月他們共培養了13名研究生。不少學生儘管有著材料化學相關基礎，但在有機光電等領域的知識儲備還非常薄弱。3位學者本著“有教無類”“因材施教”的理念，從零開始手把手地教。如今這些學生都能夠獨立設計實驗，並對基礎原理和分析方法有了深層次的理解。
王靜說，在同學們眼中，唐老師既是引領學科交叉的導師，又是擅長儀器DIY的工程師，好像什麼問題都難不倒他。今年，課題組首名碩士畢業生陳志經層層選拔，入職臺積電工藝整合部，作為其中唯一的一名應屆生，他很快就適應了高強度的崗位要求，新近還獲得了部門“最佳新人獎”。“這裡的氛圍與我們課題組很相像，練就係統思維和克難能力，能感受到自己的快速成長”。
“我們會繼續攻關，在實際應用中尋找並解決科學問題，研製出更高精度的光電轉化材料及光伏器件，並探索其在碳中和產業、5G物聯網和智慧城市等領域的潛在應用。”3位學者對未來充滿嚮往。實驗室的燈火通明見證著他們靈魂深處激盪的“學術至上”的信仰和“奮鬥不息”的精神。
這些年輕人感到，在東華包容的環境和中心交叉的氛圍中，他們離自己的抱負更近了。
編輯：許婧
