曹鏞，1941年10月生，湖南長沙人。中國科學(xué)院院士，發(fā)展中國家科學(xué)院院士，英皇家化學(xué)會(huì)會(huì)士、973計(jì)劃首席科學(xué)家、曾任華南理工大學(xué)發(fā)光材料與器件國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任，高分子光電材料與器件研究所所長，有機(jī)光電領(lǐng)域世界著名的科學(xué)家。
- 1965年畢業(yè)于原蘇聯(lián)列寧格勒大學(xué)化學(xué)系高分子專業(yè)，化學(xué)學(xué)士。
- 1979至1981年在日本東京大學(xué)化學(xué)系物理化學(xué)專業(yè)進(jìn)修
- 1987年獲東京大學(xué)理學(xué)博士。
- 1988年獲國家科委授予“有突出貢獻(xiàn)的優(yōu)秀中青年科技專家”稱號(hào)。
- 1988年至1990年，任美國加州大學(xué)圣巴巴拉分校高分子及有機(jī)固體研究所資深研究員。
- 1990年至1998年，任美國加州圣巴巴拉UNIAX公司資深研究員。
- 1998年至今任華南理工大學(xué)材料學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師。主要從事導(dǎo)電聚合物的結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系及發(fā)光材料與器件研究，例如驅(qū)動(dòng)基板、發(fā)光器件集成等等。提出“對陰離子誘導(dǎo)加工性”的新概念，解決了導(dǎo)電高分子的高導(dǎo)電性與加工性不能同時(shí)并存的難題；首次成功地研制出可彎曲的大面積塑料片基發(fā)光二極管；在國際上首次表明在聚合物電致發(fā)光二極管中電熒光量子效率有可能25%的量子統(tǒng)計(jì)規(guī)則，推動(dòng)了聚合物電致發(fā)光二極管的發(fā)展。在Nature、Nature Photonics、Advanced Materials、Journal of the American Chemical Society等SCI主流學(xué)術(shù)期刊發(fā)表研究論文600余篇，他引超過30000次。
- 1988年獲國家科委授予有突出貢獻(xiàn)的中青年科學(xué)家稱號(hào)，
- 1988年及2010年分別獲得國家自然科學(xué)二等獎(jiǎng)2項(xiàng)、
- 2009年獲廣東省科學(xué)進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)、
- 2014年獲教育部高等學(xué)?？茖W(xué)研究優(yōu)秀成果一等獎(jiǎng)，
- 2015年獲國家自然科學(xué)二等獎(jiǎng)，
- 2015年獲廣東省科學(xué)技術(shù)突出貢獻(xiàn)獎(jiǎng)。
值得一提的是，曹鏞院士在OLED、有機(jī)/聚合物太陽電池領(lǐng)域等領(lǐng)域取得一系列國際先進(jìn)研究成果的同時(shí)，同時(shí)也致力于有機(jī)光電材料與器件領(lǐng)域在產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，為國家培養(yǎng)了一大批有高度創(chuàng)新能力的科研型拔尖人才和應(yīng)用型創(chuàng)新人才。
下面，我們來關(guān)注一下國內(nèi)有機(jī)/高分子光電功能材料與器件領(lǐng)域的開創(chuàng)者之一—曹鏞院士團(tuán)隊(duì)在2019年的研究進(jìn)展。粗略統(tǒng)計(jì)了一下，曹鏞院士及合作者在共發(fā)表了62篇文章。這些文章主要集中有機(jī)/聚合物太陽能電池、鈣鈦礦電池/發(fā)光領(lǐng)域。按照Web of Sciences檢索結(jié)果為準(zhǔn)，以下文章均為領(lǐng)域中的高被引論文 (8篇次)、領(lǐng)域中的熱點(diǎn)論文 (2篇次)。
2019年部分研究進(jìn)展
1.《Adv. Mater》效率12%以上，有序多尺度非富勒烯小分子有機(jī)太陽能電池｜領(lǐng)域中的高被引論文和熱點(diǎn)論文
華南理工大學(xué)曹鏞院士、彭小彬教授團(tuán)隊(duì)、聯(lián)合華南師范大學(xué)輦理教授、上海交通大學(xué)劉烽教授、香港城市大學(xué)的Alex K.-Y. Jen教授等人將兩個(gè)近紅外吸收分子成功地結(jié)合到非富勒烯基小分子有機(jī)太陽能電池(NFSM-OSCs)中，實(shí)現(xiàn)了12.08%的非常高的功率轉(zhuǎn)換效率(PCE)。這是通過混合溶劑添加劑和溶劑蒸汽退火來實(shí)現(xiàn)的，主要工作是分別為ZnP-TBO和6TIC調(diào)整有序演化的結(jié)晶形態(tài)。這樣不僅可以提高ZnP-TBO和6TIC共混物的結(jié)晶度，而且可以形成多尺度形貌，增強(qiáng)電荷遷移率和電荷萃取。同時(shí)通過有效電荷離域減少了非填充復(fù)合。結(jié)果表明，器件性能顯著提高填充因子和短路電流。這些導(dǎo)致了一個(gè)非?？捎^的PCE，這是目前為止，NFSM-OSCs和所有的小分子二元太陽能電池最高的報(bào)道。相關(guān)研究以“Over 12% Effciency Nonfullerene All-Small-Molecule Organic Solar Cells with Sequentially Evolved Multilength Scale Morphologies”為題目，發(fā)表在Adv. Mater上。
2.《Energy Environ. Sci.》全聚合物太陽能電池通用的綠色溶劑，提高功率轉(zhuǎn)換效率到11%｜領(lǐng)域中的高被引論文
有機(jī)光伏技術(shù)的進(jìn)步一直與對本體異質(zhì)結(jié)(BHJ)微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)的深入理解緊密相關(guān)，這通常是由基于單一溶劑或溶劑混合物的涂覆配方控制的。全聚合物太陽能電池(all-polymer solar cells, all-PSCs)進(jìn)展相對緩慢，主要是由于其復(fù)雜的BHJ形態(tài)難以掌握，難以處理聚合物鏈的糾纏，其性能一般限制在8-10%。在這項(xiàng)工作中，華南理工大學(xué)曹鏞院士、應(yīng)磊教授、黃飛教授聯(lián)合愛爾蘭根-紐倫堡大學(xué)李寧教授等人證明了通過使用基于環(huán)戊基甲基醚的綠色溶劑體系對BHJ形態(tài)進(jìn)行操作，all-PSCs 的性能可以進(jìn)一步發(fā)展到基準(zhǔn)值11%。優(yōu)越的墨水配方在四種不同的全聚合物太陽能電池上的通用適用性得到了成功的驗(yàn)證，顯示了將all-PSCs推向工業(yè)生產(chǎn)和商業(yè)化的巨大前景。相關(guān)研究以“A generic green solvent concept boosting the power conversion efficiency of all-polymer solar cells to 11%”為題目，發(fā)表在Energy Environ. Sci.上。
3.《Joule》單結(jié)有機(jī)太陽能電池能量轉(zhuǎn)換效率新紀(jì)錄突破15%｜領(lǐng)域中的高被引論文和熱點(diǎn)論文
有機(jī)太陽能電池是一種將太陽能轉(zhuǎn)換為電能的新型電子器件，評價(jià)其性能的主要參數(shù)是能量轉(zhuǎn)換效率。高效率有機(jī)太陽能電池仍然是目前研究的首要目標(biāo)，也是其實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵。中南大學(xué)鄒應(yīng)萍教授課題組將電子受體單元苯并三氮唑引入非富勒烯受體稠環(huán)的中心核，形成一種DAD稠環(huán)結(jié)構(gòu)，他們通過引入具有高遷移率的缺電子單元苯并噻二唑來替代稠環(huán)中心的苯并三氮唑、用并噻吩取代稠環(huán)末端的噻吩來調(diào)控目標(biāo)分子的電子遷移率和進(jìn)一步增強(qiáng)和拓寬材料的吸收光譜。這樣得到的非富勒烯受體Y6具有較強(qiáng)的吸收和較窄的帶隙（1.33 eV）以及優(yōu)異的電子遷移率，制備了能量轉(zhuǎn)換效率突破15%的單結(jié)有機(jī)太陽能電池器件，為已報(bào)道單結(jié)有機(jī)太陽能電池效率的世界最高紀(jì)錄。該論文通訊作者為中南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院鄒應(yīng)萍教授。合作者還包括中國科學(xué)院化學(xué)研究所李永舫院士團(tuán)隊(duì)（正向器件制備及表征），華南理工大學(xué)曹鏞院士和葉軒立教授團(tuán)隊(duì)（反向器件制備及表征），香港中文大學(xué)路新慧教授（薄膜形貌測試）和拉瓦爾大學(xué)Mario Leclerc教授（分子計(jì)算）等。相關(guān)研究于2019年1月17日在Cell Press旗下的能源旗艦期刊《焦耳》（Joule）上發(fā)表，題為：Single-Junction Organic Solar Cell with over 15% Efficiency Using Fused-Ring Acceptor with Electron-Deficient Core。
4.《Adv. Mater》雙界面協(xié)同作用助力高效CsPbI2Br鈣鈦礦太陽能電池｜領(lǐng)域中的高被引論文
華南理工大學(xué)曹鏞院士、葉軒立教授和薛啟帆副研究員團(tuán)隊(duì)通過應(yīng)用氨基官能化聚合物（PN4N）作為陰極界面層和不含摻雜劑的空穴傳輸聚合物（PDCBT）作為陽極界面層，制備了光穩(wěn)定性能優(yōu)異的的無機(jī)混合鹵化物鈣鈦礦太陽能電池（PVSC）。研究人員首先在陰極界面處形成界面偶極子降低SnO2的功函，而具有更深HOMO能級(jí)的PDCBT在陽極處提供了更好的能級(jí)匹配，導(dǎo)致PVSC開路電壓（Voc）的顯著增強(qiáng)。其次，PN4N層還可以調(diào)節(jié)表面潤濕性，促進(jìn)高質(zhì)量全無機(jī)鈣鈦礦薄膜的生長。理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明PN4N和PDCBT可以與鈣鈦礦晶體發(fā)生強(qiáng)烈地相互作用，有效地鈍化電子表面陷阱態(tài)并抑制CsPbI2Br薄膜的光誘導(dǎo)的鹵化物分離。因此，優(yōu)化的CsPbI2Br PVSC表現(xiàn)出降低的界面重組效率，效率超過16％，這是所有無機(jī)PVSC報(bào)道中的最高效率之一。雙界面改性的CsPbI2Br PVSC在連續(xù)1太陽等效照射下持續(xù)400小時(shí)，效率只下降了10％，具有優(yōu)異的光穩(wěn)定性。相關(guān)研究以“Dual Interfacial Design for Efficient CsPbI2Br Perovskite Solar Cells with Improved Photostability”為題目，發(fā)表在Adv. Mater上。
5．《Nat. Commun》效率超過5%的準(zhǔn)二維藍(lán)色鈣鈦礦發(fā)光二極管的復(fù)合區(qū)域調(diào)制｜領(lǐng)域中的高被引論文
近年來，鈣鈦礦發(fā)光二極管的近紅外、紅、綠三色發(fā)射和20%以上的外部量子效率的研究取得了實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。然而，藍(lán)發(fā)射的鈣鈦礦發(fā)光二極管的發(fā)展仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，它阻礙了基于鈣鈦礦發(fā)射材料的全彩顯示器和白光照明的進(jìn)一步發(fā)展。在此，華南理工大學(xué)曹鏞院士、葉軒立教授團(tuán)隊(duì)首先通過成分和尺寸工程，利用阱密度降低和光致發(fā)光量子產(chǎn)率提高的優(yōu)勢，制備了藍(lán)發(fā)射增強(qiáng)的準(zhǔn)二維鈣鈦礦薄膜。其次，發(fā)現(xiàn)在PEDOT:PSS/鈣鈦礦雜化膜中鈣鈦礦晶體的垂直非均勻分布。通過調(diào)節(jié)復(fù)合帶的位置，激活大部分準(zhǔn)2D鈣鈦礦晶體,從而證明是迄今最有效的藍(lán)色鈣鈦礦發(fā)光二極管，發(fā)射峰在480 nm，亮度3780??cd m?2，外部量子效率為5.7%。相關(guān)研究以“Modulation of recombination zone position for quasi-two-dimensional blue perovskite light-emitting diodes with efficiency exceeding 5%”為題目，發(fā)表在Nat. Commun上。
6．《AEM》基于新型高效寬帶隙非富勒烯受體且能量損失低的15％效率串聯(lián)有機(jī)太陽能電池｜領(lǐng)域中的高被引論文
串聯(lián)有機(jī)太陽能電池（OSC）是擴(kuò)大光子響應(yīng)范圍并抑制傳輸損耗和熱損耗的有效結(jié)構(gòu)。在過去的幾年中，低能隙材料在長波長區(qū)域具有廣泛的吸收能力，用于后電池的開發(fā)引起了人們的廣泛關(guān)注。但是，用于前電池的具有高短路電流密度（JSC）和開路電壓（VOC）的寬帶隙材料很少。在這項(xiàng)工作中，華南理工大學(xué)曹鏞院士、黃飛教授和張凱博士報(bào)道了一種新的氟取代的寬帶隙小分子非富勒烯受體TfIF-4FIC，其光學(xué)帶隙為1.61 eV。當(dāng)選擇PBDB‐T‐2F作為供體時(shí)，該器件可提供0.98 V的極高VOC，17.6 mA cm-2的高JSC和13.1％的功率轉(zhuǎn)換效率。在如此寬的帶隙下，這是表現(xiàn)最佳的受體。更重要的是，這種組合的能量損失為0.63 eV。這些特性確保PBDB‐T‐2F：TfIF‐4FIC是制造串聯(lián)OSC的理想選擇。當(dāng)使用PBDB‐T‐2F：TfIF‐4FIC和PTB7‐Th：PCDTBT：IEICO‐4F作為前排電池和后排電池構(gòu)建串聯(lián)太陽能電池時(shí)，獲得的PCE為15％，這是迄今為止在有機(jī)太陽能電池領(lǐng)域已有報(bào)道最好的結(jié)果之一。相關(guān)研究以“15% Efficiency Tandem Organic Solar Cell Based on a Novel Highly Efficient Wide-Bandgap Nonfullerene Acceptor with Low Energy Loss”為題目，發(fā)表在Adv. Energy Mater.上。
7．《ACS Energy Lett.》具有雙載流子產(chǎn)生通道和低非輻射衰退復(fù)合損耗特征的高效非富勒烯基聚合物太陽電池｜領(lǐng)域中的高被引論文
有效的電荷產(chǎn)生是在有機(jī)/聚合物太陽能電池（OSC / PSC）中實(shí)現(xiàn)高功率轉(zhuǎn)換效率（PCE）的先決條件，這涉及光激發(fā)時(shí)光誘導(dǎo)的電子轉(zhuǎn)移和/或供體/受體界面之間的空穴轉(zhuǎn)移。這兩個(gè)過程中電荷的高收率通常都需要在供體和受體之間進(jìn)行足夠的能量補(bǔ)償，以進(jìn)行電荷分離，快速運(yùn)輸和提取以收集電荷，并需要進(jìn)行顯著的吸收互補(bǔ)以最大程度地獲取光子。在這里，華南理工大學(xué)曹鏞院士、吳宏濱教授、何志才教授、聯(lián)合西安近代化學(xué)研究所高潮研究員、南方科技大學(xué)梁永曄教授展示了一種高效的PSC，其具有由聚合物供體和兩個(gè)窄帶隙非富勒烯受體混合而成的高效雙光電流產(chǎn)生途徑，在具有單結(jié)器件結(jié)構(gòu)的PSC中具有13.0％（驗(yàn)證為12.5％）的出色PCE認(rèn)證。這些材料系統(tǒng)的器件顯示出約0.22-0.24 V的非輻射復(fù)合損失，這是迄今為止實(shí)現(xiàn)的OSC的最小值之一，可與基于單晶硅或金屬鹵化物鈣鈦礦的太陽能電池相媲美。這項(xiàng)研究突出表明，具有高產(chǎn)率和大大降低的電壓損耗的雙電荷產(chǎn)生途徑對于進(jìn)一步提高OSC的PCE是必不可少的。相關(guān)研究以“High-Performance Fullerene-Free Polymer Solar Cells Featuring Efficient Photocurrent Generation from Dual Pathways and Low Nonradiative Recombination Loss”為題目，發(fā)表在ACS Energy Lett.上。
8．《Adv. Energy Mater.》高效準(zhǔn)雙層結(jié)構(gòu)有機(jī)太陽電池｜領(lǐng)域中的高被引論文
有機(jī)太陽電池因具備柔性、材料來源廣以及可卷對卷印刷等優(yōu)點(diǎn)，而獲得了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注和高度重視。近年來，隨著非富勒烯受體的開發(fā)，有機(jī)太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率取得了突破性進(jìn)展。然而，目前所報(bào)道的高效有機(jī)太陽電池，絕大多數(shù)是基于本體異質(zhì)結(jié)（BHJ）結(jié)構(gòu)，亦即將電子給體材料和電子受體材料按一定比例進(jìn)行共混。其光電轉(zhuǎn)換效率在很大程度上依賴于活性層的形貌。而活性層形貌的調(diào)控是一個(gè)復(fù)雜的過程，需要綜合給/受體比例、溶劑、添加劑、熱退火、溶劑退火等一系列優(yōu)化方法。而且隨著器件面積的增大，形貌調(diào)控變得更具有挑戰(zhàn)性。這給大面積有機(jī)太陽電池的開發(fā)帶來了很大的挑戰(zhàn)。鑒于此，華南理工大學(xué)曹鏞院士、黃飛教授和張凱博士通過分層沉積的方法，分別將給體材料和受體材料通過溶液加工依次沉積，成功獲得了高效的準(zhǔn)雙層（Bilayer）結(jié)構(gòu)有機(jī)太陽電池及其大面積器件。他們首先以富勒烯體系PffBT4T-2OD和PCBM為給/受體材料進(jìn)行相關(guān)研究。結(jié)果表明，Bilayer器件表現(xiàn)出與BHJ器件相當(dāng)?shù)墓夥阅埽獴ilayer器件穩(wěn)定性得到大幅提升。在連續(xù)光照條件下測試，其T80壽命達(dá)到了650小時(shí)（圖）。這一方面是因?yàn)閎ilayer結(jié)構(gòu)中，給/受體相分離結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步衍化得到了抑制；另一方面是給體材料在器件中充當(dāng)了紫外光濾光層的作用，有效避免了穩(wěn)定性相對較差的受體材料受紫外光的降解。更重要的是，Bilayer器件的光伏性能對加工條件的依賴性較小，當(dāng)選用非鹵素溶劑二甲苯進(jìn)行加工時(shí)，Bilayer器件的效率（8.9%）明顯高于BHJ器件的效率（4.1%）。之后，他們選取非富勒烯體系PM6和IT-4F為給/受體材料，采用二甲苯作為溶劑，同樣獲得了效率高達(dá)12.9%的器件。并且，通過刮涂法還獲得了效率為11.4%的大面積Bilayer器件（1 cm2），這是目前光伏性能最好的大面積刮涂器件之一。相關(guān)研究以“High‐Performance Large‐Area Organic Solar Cells Enabled by Sequential Bilayer Processing via Nonhalogenated Solvents”為題目，發(fā)表在Adv. Energy Mater.上。
全文鏈接：DOI: 10.1002/aenm.201802832.
