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我系郭旭岗课题组在JACS等顶级专业期刊连发三篇论文 在有机半导体材料与器件领域取得进展

发布日期:2016-10-26 11:02:00

由于溶液法的加工特性,有机半导体材料受到学术界和工业界的广泛关注。溶液加工法可以实现电子器件的低成本,大面积制备并使得器件具有轻便、柔性等新特征和功能。器件性能提升高度依赖于新型半导体材料的研发和器件制备工艺的优化。近期,我系郭旭岗课题组在有机场效应晶体管和有机太阳能电池领域取得进展,开发了一系列高性能的有机半导体材料,结合器件优化,在有机太阳能电池领域取得了具有国际先进水平的能量转化效率。相应的工作分别在JACS, Chemistry of Materials和Advanced Materials发表并申请了PCT专利。

在题目为“Marked Consequences of Systematic Oligothiophene Catenation in Thieno[3,4-c]pyrrole-4,6-dione and Bithiopheneimide Photovoltaic Copolymers”的论文中,郭旭岗开发了一系列寡聚噻吩为构建单元的共聚物半导体,深入研究了噻吩数目和增溶链位置对半导体能级,薄膜形貌结构,及太阳能电池性能的影响。研究结果表明随着噻吩数增加,半导体结晶度会相应提高,但前线轨道能级也会上升,从而降低电池的开路电压。基于三噻吩的高分子半导体在能级和薄膜形貌结构取得最优组合,从而实现最高能量转化效率。研究结果为设计基于寡聚噻吩、具有最优噻吩连锁和烷基化模式的聚合物半导体提供了设计依据。该研究成果在JACS(影响因子:13.038)上发表,郭旭岗是该论文的通讯作者,负责材料设计与合成,材料表征和器件制备分别由美国阿贡国家实验室Lin X. Chen教授课题组和美国西北大学Tobin J. Marks教授课题组完成。

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图1 寡聚噻吩构建单元对聚合物半导体的太阳能电池性能的影响

 

在题目为“Materials Design via Optimized Intramolecular Noncovalent Interactions for High-Performance Organic Semiconductors”的论文中,郭旭岗课题组开发了基于双噻吩的高分子半导体构建单元,通过引入氧原子可以形成分子内硫氧非共价键作用从而使得高分子具有高度的平面性,提高了结晶度,实现了具有窄带隙的半导体材料。双噻吩单元和苯酰亚胺的共聚高分子半导体在有机场效应晶体管和太阳能电池中都取得了突出性能。该项工作受到Chemistry of Materials (影响因子:9.407;CM)主编的高度评价,论文直接接收发表并感谢我们把优秀的工作投给CM,该论文是CM在4月份和5月份最被阅读的文章之一。郭旭岗课题组郭晓杰和廖巧干为该论文共同第一作者,分别完成材料合成和太阳能电池器件制备表征工作,美国西北大学Tobin J. Marks课题组利用同步辐射完成材料结构表征,韩国釜庆大学Kang-Jun Baeg教授完成晶体管制备测试。校内合作者包括材料系杨庭斌工程师、梁永晔教授和程鑫教授。

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图2 分子内硫氧非共价键可以增加高分子半导体共面性和结晶度


最新发表的题为“Head-to-Head Linkage Containing Bithiophene-Based Polymeric Semiconductors for Highly Efficient Polymer Solar Cells”的论文报道了利用双噻吩给体单体与苯并噻二唑受体单体构建一系列窄带隙高分子半导体材料。这些高分子材料在有机场效应晶体管中取得大于0.8 cm2/Vs的载流子迁移率,在太阳能电池中实现了接近10%的能量转化效率,是目前所有报道中带隙小于1.50 eV聚合物半导体的最高效率。该材料对可见光的吸收非常优异,制备的太阳能电池短路电流高达22.40 mA/cm2,这也是有机太阳能电池领域报道的最高短路电流。该论文在Advanced Materials(影响因子:18.960)发表,郭旭岗课题组史胜斌和廖巧干为该论文共同第一作者,分别完成材料合成和太阳能电池器件制备表征工作,课题组工程师郭晗完成晶体管制备测试。上海交通大学和美国劳伦斯伯克利国家实验室刘烽教授利用同步辐射完成材料的结构表征。校内合作者包括材料系杨庭斌工程师、梁永晔教授和程鑫教授。

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图3 太阳能电池结构、能级及电压-电流曲线

 

加入南科大以来,郭旭岗课题组在Chemical Reviews, Nature Photonics, Advanced Materials, JACS, PNAS等高水平期刊发表论文10余篇。研究工作得到了深圳市孔雀团队,深圳市重点实验室,国家自然科学基金、广东省自然基金,深圳市科创委基础研究项目及校长基金资助。


论文链接:

http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.5b06462

http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.chemmater.6b00850

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201603112/full