西安交通大學(xué)馬偉教授團隊主要從事有機光電子材料（有機太陽能電池，有機電化學(xué)晶體管等）、有機神經(jīng)形態(tài)材料、柔性智能傳感器及集成器件、柔性非易失性存儲器和大科學(xué)裝置同步輻射X射線散射技術(shù)開發(fā)等領(lǐng)域的相關(guān)研究，近年來取得了重要科研成果。目前已發(fā)表學(xué)術(shù)論文300余篇。
在剛剛邁入2023年之際，我們持續(xù)關(guān)注并回顧了2022年馬偉教授團隊在有機太陽能電池的材料設(shè)計、形貌調(diào)控及室內(nèi)光伏應(yīng)用等領(lǐng)域的研究成果，他們在Joule，Adv. (Energy/Funct.) Mater.，Nano Energy，Carbon Energy等期刊上發(fā)表研究及綜述文章30余篇。我們對其中的代表性成果進行了梳理，供大家學(xué)習(xí)和交流。
Part 1 高性能有機太陽能電池形貌調(diào)控
1.Adv. Mater.：基于非鹵溶劑通過雙狹縫涂布工藝制備高性能有機太陽能電池
得益于光伏材料設(shè)計、器件工程和界面工程等策略，有機太陽能電池效率已突破19%，逐漸接近于商業(yè)化生產(chǎn)閾值。然而，當(dāng)前有機太陽能電池常用的旋涂法、毒性的鹵素溶劑加工方式以及傳統(tǒng)本體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)阻礙了有機太陽能電池的高通量生產(chǎn)以及商業(yè)化應(yīng)用。
參考文獻：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202202659
2.Adv. Mater.：狹縫擠出動力學(xué)調(diào)控制備高效三元厚膜有機太陽能電池
目前，已報道的大部分高效率有機太陽能電池是在實驗室中通過旋涂加工制備，而旋涂工藝無法實現(xiàn)大面積連續(xù)加工。此外，高效的光伏器件的活性層最優(yōu)厚度大約為100 nm左右，如此薄的活性層厚度在大面積加工時易出現(xiàn)斑點、針孔等缺陷，導(dǎo)致器件效率的嚴(yán)重?fù)p失和較差的可重復(fù)性。因此，提高活性層對膜厚的容忍度是大面積生產(chǎn)的必要條件之一。
參考文獻：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adma.202105114
3.Adv. Energy Mater.：受體組分調(diào)控助力有機太陽能電池電壓損失降低
與鈣鈦礦太陽能電池相比，有機太陽能電池的電壓損失相對較大，成為限制有機太陽能電池光伏性能的主要原因。目前，大多數(shù)高性能有機太陽能電池的開路電壓基本在0.8-0.9 V左右，電壓損失普遍大于0.5 eV。因此，減小電壓損失是有機太陽能電池發(fā)展過程中重要的研究課題之一。
參考文獻：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202103735
有機光伏材料在不同的溶劑中溶解度不同，且具有較大的給受體結(jié)晶性差異，從而引起有機光伏器件的性能降低。此外，最優(yōu)的光伏效率器件的活性層厚度大約為100n 來卷對卷大面積印刷的工業(yè)化生產(chǎn)方式要求活性層在比較大的厚度范圍內(nèi)具有良好的器件性能，而100 nm的薄膜厚度不滿足商業(yè)化生產(chǎn)需求。
參考文獻：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.202210534
5.Nano Energy：基于順序刮涂工藝調(diào)控垂直相分布構(gòu)建高效、高力學(xué)性能的有機太陽能電池
相比無機半導(dǎo)體，有機半導(dǎo)體的本征柔性在制備下一代可穿戴電子器件中具有明顯優(yōu)勢。然而，目前先進的有機光伏器件的效率和力學(xué)性能難以滿足可穿戴器件的應(yīng)用要求。因此，實現(xiàn)高效、高力學(xué)性能的有機光伏器件是一項重要的研究課題。
西安交通大學(xué)馬偉教授等人選取高效的PTQ10:Y6共混體系，采用順序刮涂技術(shù)制備偽雙層（LbL）結(jié)構(gòu)的有機光伏器件，該結(jié)構(gòu)在聚合物-小分子相的受控組成方面與傳統(tǒng)的本體異質(zhì)結(jié)（BHJ）結(jié)構(gòu)明顯不同。研究人員通過精細(xì)調(diào)控上層PTQ10厚度和后處理（退火和添加劑）來控制LbL結(jié)構(gòu)的垂直相分布，并進一步分析其對器件效率和機械性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)：富含PTQ10的區(qū)域促進了足夠的分子間纏結(jié)，均勻分布的Y6確保了優(yōu)化的LBL結(jié)構(gòu)中更強給受體界面，有助于電荷傳輸和應(yīng)力耗散，實現(xiàn)了效率和力學(xué)性能的協(xié)同提升。同時研究人員也證明了垂直相分層調(diào)控策略具有一定的普適性，該策略有助于推動有機光伏器件在可穿戴電子產(chǎn)品中的未來應(yīng)用。
參考文獻：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2211285522002750
6.J. Mater. Chem. A：基于受體 Y6的有機太陽能電池的形貌及機理研究
非富勒烯受體Y6及其衍生物的出現(xiàn)極大地促進了有機太陽能電池的發(fā)展，目前其效率已突破了19%。有機太陽能電池的活性層形貌是決定器件性能的關(guān)鍵因素之一，然而其又受到動力學(xué)和熱力學(xué)雙重因素的影響。揭示Y6背后的機理，熱力學(xué)和動力學(xué)在其中所起到的關(guān)鍵作用，是推動Y6及該系列衍生物聚合物太陽能電池進一步應(yīng)用的關(guān)鍵。
西安交通大學(xué)馬偉教授和周科副教授等人揭示了一種形貌控制策略，通過同時考慮材料本征屬性的相容性和成膜過程中的動力學(xué)因素來控制材料的相分離和聚集行為。在低相容性的D18:Y6體系中，微量氯苯的引入會導(dǎo)致分子的過度聚集，氯苯中的強相互作用導(dǎo)致聚集增強和過度相分離。在高相容性的PM6:Y6體系中，微量氯苯的引入并未改變成膜過程，形貌和相應(yīng)的器件性能幾乎沒有變化。其中氯仿加工的D18:Y6器件獲得了17.38%的高效率，為當(dāng)時狹縫擠出成膜加工的最高效率。通過將給受體之間的相容性和成膜的動力學(xué)過程相連接，為研究Y6及其衍生物背后的機理提供了新的思路。
7.J. Mater. Chem. A：稀釋小分子受體含量實現(xiàn)良好機械性能的高效有機光伏器件
盡管有機太陽能電池的效率已突破19%，然而，由于給體/受體 (D/A) 界面存在較大且尖銳的結(jié)晶相，在應(yīng)變過程中應(yīng)力相對集中，結(jié)晶相域無法消散應(yīng)力從而產(chǎn)生裂紋，加快器件功能失效，因此限制了有機太陽能電池在柔性光伏器件領(lǐng)域的功能化應(yīng)用。
參考文獻：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/ta/d2ta00959e/unauth
8.Small: 非平衡態(tài)形貌演變路徑研究
有機太陽能電池的活性層形貌決定了器件的光電轉(zhuǎn)化效率，其活性層形貌形成過程和調(diào)控機理一直是研究人員關(guān)注的重點研究課題。近年來，部分研究從共混熱力學(xué)的角度分析，確定了平衡狀態(tài)下形貌的形成機制。然而，對于動力學(xué)控制下的非平衡態(tài)形貌的形成機制仍不明確。
參考文獻：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/smll.202200608
9.Solar RRL：基于非富勒烯有機太陽能電池的溶劑誘導(dǎo)多晶型研究
近年來隨著非富勒烯受體材料的快速發(fā)展,有機太陽電池效率已經(jīng)突破19%。研究發(fā)現(xiàn)，非富勒烯小分子受體的有序堆積形式對于光電轉(zhuǎn)化效率及電荷傳輸有著重要的影響，因此，對于非富勒烯體系共混形貌的形成與調(diào)控機制也成為進一步突破光伏效率的重點研究的方向之一。其中，目前受溶劑及加工條件影響的非富勒烯小分子受體的分子堆積形態(tài)的機理研究仍然相對缺乏。
參考文獻：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/solr.202200819
Part 2 有機太陽能電池的室內(nèi)光伏應(yīng)用和集成功能化應(yīng)用
1.Joule: 揭秘弱光有機光伏器件中的光電流高估的原因
室內(nèi)有機光伏由于高消光系數(shù)和帶隙可調(diào)性以及良好的室內(nèi)低光強度匹配性，可以作為一種將室內(nèi)光轉(zhuǎn)換為電能的裝置，可成為低功耗電子器件提供有效電源。室內(nèi)有機光伏的快速發(fā)展隨之帶來了新的機遇，同時也帶來了巨大的挑戰(zhàn)。如：有機光伏器件在標(biāo)準(zhǔn)光照下（AM 1.5 G）可以準(zhǔn)確測得電流，而在弱光強下測試的電流卻常常存在高估現(xiàn)象。
鑒于此，西安交通大學(xué)馬偉教授、趙超助理教授以及華盛頓州立大學(xué)Brian A. Collins教授等人提出基于等效電路模型，結(jié)合實驗證明了在較低光照強度下，電學(xué)邊緣效應(yīng)是導(dǎo)致器件電流被高估的原因。此外，研究發(fā)現(xiàn)隨著器件表面粗糙度的增大，界面電阻減小，電學(xué)邊緣效應(yīng)越強。因此，研究人員提出可通過增加器件的有效面積、降低表面粗糙度、使用掩膜板和設(shè)計無邊緣器件結(jié)構(gòu)等策略可有效避免電學(xué)邊緣效應(yīng)導(dǎo)致的電流高估。該工作對室內(nèi)有機光伏器件的性能準(zhǔn)確評估提供了新見解，有助于促進室內(nèi)有機光伏器件的進一步功能化應(yīng)用。
參考文獻：https://doi.org/10.1016/j.joule.2022.06.008
有機太陽能電池由于其特定的光學(xué)、電學(xué)和機械性能而被認(rèn)為是最有前途的室內(nèi)光伏系統(tǒng)之一。然而，目前室內(nèi)有機太陽能電池光伏效率仍然低于鈣鈦礦型太陽能電池。因此，考慮到活性層的理想形貌，以減少缺陷電荷復(fù)合和電壓損失，從而同時提高填充因子（FF）和開路電壓，以實現(xiàn)高效的室內(nèi)有機光伏。
因此，西安交通大學(xué)馬偉教授和周科副教授、東華大學(xué)馬在飛研究員和印度理工學(xué)院Dinesh Kabra教授等人通過采用順序逐層加工工藝優(yōu)化給受體異質(zhì)結(jié)界面和相分離結(jié)構(gòu)以協(xié)同實現(xiàn)較低的漏電流和較低非輻射復(fù)合損失。在LED 1000 lux下，順序逐層加工器件實現(xiàn)了81.5%的FF和31.2%的室內(nèi)光伏效率。此外，并證明順序逐層加工室內(nèi)光伏器件具有一定的普適性，有助于室內(nèi)光伏器件效率的進一步提升。該工作為室內(nèi)光伏器件的活性層形貌優(yōu)化提供了新的指導(dǎo)，加快實現(xiàn)有機室內(nèi)光伏器件應(yīng)用。
參考文獻： https://doi.org/10.1039/D2MH01229D
3.npj Flexible Electron.：用于眼部健康監(jiān)測的自供電柔性有機集成電子器件
近年來，用于實時監(jiān)測人體健康和生物信息的集成生物電子器件受到了科研界的廣泛關(guān)注。目前用于可穿戴或可植入生物電子集成設(shè)備的供給電源，如納米發(fā)電機和燃料電池等，能量轉(zhuǎn)換效率較低且供電相對不穩(wěn)定，難以滿足復(fù)雜傳感系統(tǒng)和信號傳輸系統(tǒng)的能量需求。此外，可穿戴化生物電子的供給電源相對較大且需外加導(dǎo)線，限制了可穿戴化生物電子的進一步拓展應(yīng)用。
參考文獻：https://www.nature.com/articles/s41528-022-00211-6
Part 3 高性能有機太陽能電池受體材料設(shè)計
1.Carbon Energy：氯代聚小分子受體構(gòu)筑高性能全聚合物太陽能電池
目前最先進的全聚合物太陽能電池的效率已達到17%以上，主要得益于近年來高性能聚合物受體"聚合小分子受體（PSMAs）"的快速發(fā)展。然而，高性能PSMAs種類相對缺乏，以及早期PSMAs包含兩種共混吸電子端基（5-溴-IC和6-溴-IC），其中6-溴-IC在一定程度上限制了分子的吸收、能級及其與高性能聚合物給體如PM6的形貌兼容性。另一方面，盡管基于5-溴-IC的區(qū)域規(guī)整型PSMAs光電性能優(yōu)異，但5-溴-IC反應(yīng)活性相對較弱導(dǎo)致PSMAs分子量偏低，限制了材料的機械性能。與此同時，采用多次重結(jié)晶方法從共混物中分離出5-溴-IC，產(chǎn)率極低，增加了合成成本。
因此，西安交通大學(xué)馬偉教授和凡群平教授、香港科技大學(xué)顏河教授和馬睿杰博士、香港城市大學(xué)Alex K.-Y. Jen教授、西安科技大學(xué)宿文燕副教授和深圳大學(xué)羅正輝副教授等人設(shè)計合成了三個基于氯代端基（分別為5-溴-4-氯-IC、6-溴-4-氯-IC和5(6)-溴-6(5)-氯-IC）的PSMAs，即PY2Se-Cl-o、PY2Se-Cl-m和PY2Se-Cl-ran。相比區(qū)域規(guī)整型PY2Se-Cl-o和PY2Se-Cl-m，區(qū)域無規(guī)型PY2Se-Cl-ran顯示出適中LUMO能級和更好的分子堆積與結(jié)晶度，從而形成良好的納米纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，獲得了16.2%的器件效率和17.5%的斷裂伸長率。同時，基于PM6:J71:PY2Se-Cl-ran的三元全聚合物器件（all-PSCs）獲得了接近17%的效率和優(yōu)異的光照/熱穩(wěn)定性。本工作提供了一個全新視角去開發(fā)同時具有高力學(xué)性能、高效率和高穩(wěn)定性的all-PSCs，有望推動all-PSCs的實際應(yīng)用。
參考文獻：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/cey2.267
2.Chem. Eng. J.：引入S???O非共價增強以氯苯為核的非稠環(huán)電子受體的光伏性能
基于Y6系列的稠環(huán)電子受體衍生物的單節(jié)有機太陽能電池的效已突破19%。然而稠環(huán)電子受體結(jié)構(gòu)復(fù)雜且需要多步的合成路線，極大地限制了有機太陽能電池的商業(yè)化發(fā)展。因此，開發(fā)化學(xué)結(jié)構(gòu)簡單、合成路線短、成本低的非稠環(huán)型非富勒烯小分子受體材料是十分必要的。
參考文獻：https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.137375
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