有机功能材料课题组  中文 English 
复旦大学材料科学系
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人类对能源需求不断增加,而煤气、石油和天然气等传统化石能源日益枯竭,且对环境造成大量污染。寻找各种新能源尤其是清洁可再生能源已是当今社会面临的最重要的问题之一。其中,太阳能和热能是大自然中最普遍、资源最丰富的两类可再生能源。光和热既可免费使用,又无需运输,对环境无任何污染,因而被认为是一个能够解决全球能源需求问题的有效途径,但目前利用率非常有限。

一方面,太阳能电池经历了第一代单晶硅、第二代多晶硅和非晶硅电池的发展,现已经进入了第三代薄膜太阳能电池阶段。其中,传统硅太阳能电池虽然能量转换效率较高,但是存在成本高、生产过程污染大、能耗高等问题;而有机太阳能电池则成本低、质量轻、制备简单,然而其能量转换效率尚未满足商业化要求。最近几年来,有机无机金属卤化物钙钛矿型太阳能电池发展迅猛,席卷了整个薄膜光伏领域,效率已达22.1%,显著超越染料敏化及有机体异质结光伏电池,呈现出巨大的商业化潜力。

另一方面,传统无机热电材料含稀有元素,成本较高,并有一定毒性,难以实现规模工业化。此外,无机热电材料中Seebeck系数、电导率和热导率表现出紧密的相互依赖关系。有机热电材料的出现,给热电技术的发展带来了新的机遇。有机材料成本低、无毒性、质轻、可溶液制备,为大面积柔性、可穿戴式热电器件制备提供了良好的契机。更为重要的是,有机材料对分子结构和掺杂具有独特的可控性。

综上所述,针对有机薄膜光电与热电能量转换过程中的问题,本课题组开展了以下工作:(1)设计了一系列三元共轭聚合物给体材料,系统研究了各组分比例的改变对有机太阳能电池性能的影响;(2)合成了一类环境稳定的非富勒烯型苝二酰亚胺受体材料,丰富了全聚合物太阳能电池的研究体系;(3)系统研究了钙钛矿晶体结构与生长调控的方法及机理;(4)实现了传统无机热电材料的溶液法制备与可控成型,进一步发展了柔性有机-无机热电复合材料。这些研究成果有助于制备高效稳定的光电、热电器件,并积极促进新型柔性电子元件的发展。课题组在近两年内在Chem. Soc. Rev.Energy Environ. Sci.Adv. Mater.Adv. Energy Mater.Adv. Funct. Mater.Adv. Sci.Chem. Mater.Small等期刊发表论文30余篇。

同时,重视产学研结合,与企业展开密切合作,促进薄膜光伏、3D打印及环保阻燃材料等新兴产业的发展,解决其中的研发难点,为企业提供有力的技术支撑,拥有自主发明专利2项,与企业合作共有发明专利2项和实用新型专利3项。

目前,我们课题组拥有完整的化学实验室(有机半导体材料的合成及表征)和优异的器件实验室(有机/钙钛矿太阳能电池及柔性热电元件的制备与测试、电荷输运机制研究)。现有的实验设备包括:1)材料制备手段,例如旋转涂膜仪、恒温恒湿试验箱,2)结构功能表征手段,例如紫外可见光分光光度计、荧光分光光度计、电化学工作站,3)器件的制备与测试手段,例如热蒸发真空镀膜机、氮气手套箱、太阳能模拟光源、源表、外量子效率测量系统,4)材料和器件的输运研究手段,例如液氮型低温恒温器系统、温度控制仪、信号发生器、示波器、激光器及荧光寿命光谱仪等。

实验室全貌图