来源:华东理工大学 发布时间:2023/4/29 12:44:14
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Science刊发!华东理工大学吴永真与朱为宏教授团队取得最新研究成果

 

4月28日,国际顶级学术期刊《科学》(Science)在线报道了华东理工大学吴永真教授/朱为宏教授团队与合作者在有机空穴传输材料领域最新研究成果。

该工作创新引入氰基膦酸单元,发展双亲性小分子空穴传输材料,通过动态自组装构筑有序、超薄、表面超浸润层,一石二鸟完美解决了器件应用中载流子输运和界面缺陷控制两大难题。这是朱为宏教授团队继发表Nature(Nature, 2022, 604, 72–79)后取得的又一重大突破,也是华东理工大学首次以第一通讯单位在Science期刊上发表的研究性论文。

图1. “双亲性”小分子空穴传输材料动态组装“双层”膜结构,实现表面超浸润、大面积制备与器件界面缺陷控制

有机空穴传输材料作为一类重要的有机半导体材料,已经在静电复印、激光打印和有机发光二极管等领域取得了大规模的商业化应用,同时也在新型光伏技术(如染料敏化太阳电池、有机光伏电池和钙钛矿太阳电池)中发挥着重要作用。但在光电器件应用中有机空穴传输材料仍面临诸多问题,其中最突出的问题是其低迁移率特性限制电荷输运性能。

针对低迁移率材料的电荷输运瓶颈问题,领域内主要通过引入“化学掺杂”提升薄膜电导率,但其过程复杂,制备难度高、重现性差,且不利于器件的长期稳定性。该研究团队经过长期研究积累和大量实验探索,创新提出锚定自组装策略,有效解决载流子输运和界面缺陷控制两大难题。主要创新成果包括:

动态锚定自组装,构筑有序超薄膜突破空穴输运瓶颈:为了解决这些问题,华东理工大学吴永真和朱为宏教授提出利用动态锚定自组装策略构筑单分子层水平的均匀、有序、超薄电荷传输层,大幅度提升空穴输运效率,前期工作中验证了自组装超薄膜的器件应用可行性(Chem. Commun., 2019, 55, 13239; Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 1909509;中国发明专利:CN201910499186.2),并通过系统设计分子的连接单元和锚定基团证实了该策略的普适性(Adv. Funct. Mater. 2021, 31, 2103847;ACS Mater. Lett., 2022, 4, 1976; Natl. Sci. Rev. 2023, DOI: 10.1093/nsr/nwad057)。

双亲性设计,实现表面超浸润与界面缺陷控制:系统比较羧酸、磺酸、膦酸、硼酸、氰基乙酸等锚定基团后,在最新的工作中设计了新一代氰基膦酸锚定有机空穴传输材料(图1)。强吸电子性氰基的引入增加了膦酸的去质子能力和锚定基团的亲水性,使得该小分子材料具有独特的双亲性特征,易溶于各种不同极性的溶剂,包括水、二甲基亚砜、N,N-二甲基甲酰胺、乙醇、异丙醇、乙酸乙酯、甲苯和氯苯等。这种超宽的可选溶剂窗口赋予材料灵活的加工方法和广泛的应用场景。

利用该双亲性小分子空穴传输材料,通过动态锚定自组装在透明导电基底氧化铟锡(ITO)上构筑了“双层”膜结构,即“锚定自组装有序单分子层”和“未锚定混乱无序覆盖层”。发生化学锚定的自组装有序单分子层能够牢固的附着在ITO表面确保高效的空穴选择与输运,而未锚定的混乱无序覆盖层由于分子的双亲性和易溶解特征使其表面具有超浸润特性,不仅有利于上层大面积薄膜的均匀制备,而且能有效降低层间界面缺陷浓度。

解决载流子输运和界面缺陷难题,突破反式钙钛矿太阳电池认证效率纪录:研究人员所发展的新型小分子空穴传输材料具有可锚定、易溶解、易加工、超浸润等多项优点。基于该新型有机空穴传输材料制备的反式结构钙钛矿太阳电池在第三方机构的认证效率达到25.39%(图2),为目前该类太阳电池的最高认证效率。此外,该新型有机空穴传输材料良好的浸润性十分有利于制备大面积器件,1 cm2的器件和10 cm2的模组分别实现了23.4%和22.0%的效率。需指出的是,该类材料不仅适合于钙钛矿电池,还可用于有机聚合物太阳电池,具有很好的通用性,目前已申请中国发明专利(申请号:202210922068.X)。

图2. 新型有机空穴传输材料提升太阳电池器件性能

华东理工大学博士生张硕和叶方圆、吉林大学博士生王啸宇以及华中科技大学陈锐博士为论文共同第一作者,华东理工大学吴永真教授和朱为宏教授、波茨坦大学Martin Stolterfoht博士、吉林大学张立军教授、华中科技大学陈炜教授为论文共同通讯作者。研究工作得到了田禾院士和韩礼元教授的悉心指导,上海科技大学宁志军教授、中科院化学所林禹泽研究员和上海交通大学王言博助理教授在材料表征方面给予了大力支持。该研究工作还得到了国家自然科学基金、教育部材料生物学与动态化学前沿科学中心、上海市科技重大专项、上海市基础研究特区、费林加诺贝尔奖科学家联合研究中心等项目资助。

论文链接:https://www.science.org/doi/10.1126/science.adg3755

知识产权:

一类含氰基磷酸单元的空穴传输材料、制备方法及其用途,中国发明专利(申请号:202210922068.X)

 
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