南科大化学系本科生在《德国应用化学》发表论文 近日,我校化学系本科生陈伟豪(第一作者,我校13级本科生,2017年毕业)及陈阳(我校15级本科生)在国际顶尖化学期刊《德国应用化学》(Angew. Chem. Int. Ed.)上发表论文。
张绪穆课题组在《美国化学会志》发表论文 近日,我校化学系讲座教授张绪穆课题组在国际顶尖化学期刊《美国化学会志》 (J. Am. Chem. Soc., IF = 13.858)上发表简单酮高效、高选择性不对称还原胺化论文。
何凤课题组在《自然通讯》上发表重要研究成果 近日,我校化学系副教授何凤课题组在聚合物二维超分子自组装领域上取得重要研究进展,该成果发表在著名国际期刊《Nature Communications》(影响因子12.124)
徐晶课题组在《德国应用化学》发表VIP论文 该论文同时被该期刊选为VIP(Very Important Paper)与封底论文(Back Cover)。恰逢中国春节,该封底设计为中国传统窗花形式,嵌入Astellatol分子三维结构、福字和南科大Logo,充满节日喜庆气氛。
致敬时代深士:化学系主任张绪穆获此殊荣 本次评选,共有82家政府部门、社会机构、行业协会、代表企业等参与推举,经过评委会的慎重票选和网络上近200万人次的投票,最终诞生6名“2016时代深士”。
许宗祥课题组在钙钛矿太阳电池空穴传输材料取得进展 论文在Nano Energy(IF=11.553)在线发表。论文详细介绍了新型金属酞菁功能材料分子设计与太阳电池器件应用研究的成果。
蒋伟课题组发明检测地下水中持久性污染物简易方法 我校化学系蒋伟课题组提出了地下水中持久性污染物——1,4-二氧六环的简便检测方法。该研究成果在线发表在化学类顶级期刊JACS上(IF=13.038)。

2018-06-19     科研新闻


化学系何凤课题组在《Joule》上发表重要研究成果
       近日,我校化学系副教授何凤课题组在聚合物太阳电池领域取得重要研究进展,该成果发表在著名国际期刊Cell 旗下姐妹刊《Joule》,论文题目为“A Chlorinated π-Conjugated Polymer Donor for Efficient Organic Solar Cells”。这一研究工作主要由何凤课题组陈晖博士和硕士生胡志明(共同第一作者)完成,南方科技大学为第一完成单位,何凤副教授为唯一通讯作者。
       有机太阳电池因具有可溶液加工,轻质量,制备柔性器件和低成本制备等优势近来成为了研究的热点。传统的方法通过引入氟(F)原子的方法来提升有机太阳电池的开路电压和效率。但是近三年来何凤课题组另辟蹊径,通过氯(Cl)原子取代策略进一步调节材料体系的能级分布和薄膜形貌,最终实现了该类氯取代聚合物效率和稳定性的双重提高。与氟代策略相比,具有较大原子半径的氯原子也具有强的电负性,可在更大的范围内调剂分子的能级结构,同时氯取代中间体往往在化学合成上更加高效简单,可大幅降低材料成本。而且氯原子还具有氟原子不具备的空的3d轨道,可赋予其和给电子单元或者共轭体系更强的相互作用,能有效调节氯取代聚合物材料的薄膜聚集形貌、分子取向及稳定性,作为模型分子研究有机光电器件中的基本物理现象。基于氯取代策略,何凤研究团队设计和合成了新的氯取代聚合物PBT4T-Cl,通过在主链结构联噻吩其中的一个噻吩上引入氯原子精确调控聚合物的能级,提高器件的开路电压和效率。与不含氯原子的聚合物相比,以PBT4T-Cl制备的有机太阳电池表现出高的开路电压和填充因子,能量转换效率达到11.18%,是含氯富勒烯太阳电池体系最高效率之一。更为重要的是,基于PBT4T-Cl制备的有机太阳电池具有更好的器件稳定性,其器件效率在通过50天储存后仍高于8%,相对于不含氯的聚合物效率稳定性具有超过30%的提高。该项研究通过氯原子的引入同时提高了器件效率和稳定性,对未来聚合物给体分子的设计以及如何优化有机太阳电池的综合性能提供了新的思路和方法,验证了氯取代设计合成策略在推动有机太阳电池的发展中具有重要指导意义。


       如何设计高效的给体材料既要保证开电压的提升又能同时获得较高的短路电流,这是氯取代材料在设计和合成上的难点和关键。何凤课题组通过在氯取代给体材料方面多年的研究积累,在本研究中通过选择具有强的分子间相互作用的苯并噻二唑/四聚噻吩共聚物骨架结构,并选择性的在四聚噻吩中间联噻吩位置上引入一个氯原子合成了该类材料新成员PBT4T-Cl,该氯取代使聚合物材料HOMO能级下降了0.14 eV,但是光谱只轻微蓝移了8 nm,这样保证开路电压提升的同时也有效的保持该体系高的短路电流;再加上氯原子空的3d轨道,通过其和给电子单元或者共轭体系中孤电子对的相互作用,可赋予活性层中组分间更强的分子间相互作用,能有效调节氯取代聚合物材料的聚集形貌及薄膜稳定性,加强器件中电荷的传输提高填充因子,同时实现器件效率和稳定性的提高。在材料合成上也能实现实验室克级合成和放大制备,氯取代赋予的材料成本的有效降低以及器件效率和稳定性的加强能够有效推动该类聚合物材料在有机太阳电池的商业化应用,促进领域的快速向前发展。
       本工作中的GIWAXS实验得到了美国阿贡国家实验室陈伟教授的帮助。同时,本项研究的开展得到了南方科技大学启动经费、国家青年千人项目、国家自然科学基金、广东省自然科学基金和深圳市科创委的经费支持。
       何凤课题组致力于有机共轭高分子材料的设计与合成工作,并在超分子自组装、有机聚合物太阳能电池及有机共轭高分子光电等多个方向上拓展其应用。课题组自成立以来,已在Nat. Commun., Joule, ACS. Energy Lett., Chem. Mater., Macromolecules等领域内顶尖刊物上发表论文多篇,其中2篇被选为杂志封面。
 
论文链接:https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(18)30229-0

图文解析:

图1. PBT4T-Cl的合成路线


图2. 聚合物的稳态光电性能:A)聚合物太阳电池的电流-电压 (J-V) 曲线;
从图中可以看出氯取代后,PBT4T-Cl器件的开路电压明显提升,短路电流很轻微的降低,能量转换效率为11.18%,开路电压为0.80 V,短路电流为18.71 mA cm-2,填充因子为74.60%。
B)对应器件的外量子效率 (EQE);C)对应活性层的吸收光谱。
通过EQE响应图谱发现PBT4T-Cl器件在500-700 nm区间几乎全接近80%的EQE值,计算的积分电流为18.14 mA cm-2,符合电流-电压的测试的短路电流值误差。

 
图3. 聚合物混合膜的掠入射广角X射线谱(GIWAX):A)PBT4T:PC71BM的GIWAX衍射图;B)PffBT4T-2OD:PC71BM的GIWAX衍射图;C)和D)为面外(out-of-plane)和面内(in-plane)的线剖面图。
从A和B可知两种高效的材料都有很好的面朝上(face-on)取向,根据C和D图中计算的半峰宽可知,PBT4T-Cl的半峰宽更窄,说明氯取代后结晶性增强,进一步加强了分子间的π-π相互作用。
 
图4. 聚合物太阳电池的寿命测试:A), B), C)和D)分别表示开路电压,短路电流,填充因子和转换效率随时间的变化。在寿命测试中,PBT4T-Cl器件的开路电压一直很稳定,说明氯取代后加强了材料本身和混合薄膜的稳定性。对比实验表明PBT4T-Cl器件具有更好的稳定性。

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