曹鏞，1941年10月生，湖南長(zhǎng)沙人。中國(guó)科學(xué)院院士，發(fā)展中國(guó)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(guó)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(zhǎng)，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(guó)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(guó)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(guó)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(duì)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(guó)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(guò)30000次。
- 1988年獲國(guó)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(guó)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?jī)?yōu)秀成果一等獎(jiǎng)，
- 2015年獲國(guó)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(yáng)電池領(lǐng)域等領(lǐng)域取得一系列國(guó)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(guó)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(lái)關(guān)注一下國(guó)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(yáng)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(yáng)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(yáng)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(guò)混合溶劑添加劑和溶劑蒸汽退火來(lái)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(guò)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(yáng)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(yáng)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(duì)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(yáng)能電池(all-polymer solar cells, all-PSCs)進(jìn)展相對(duì)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(guò)使用基于環(huán)戊基甲基醚的綠色溶劑體系對(duì)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(yáng)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(yáng)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(yáng)能電池是一種將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能的新型電子器件，評(píng)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(yáng)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(guò)引入具有高遷移率的缺電子單元苯并噻二唑來(lái)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(lái)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(yáng)能電池器件，為已報(bào)道單結(jié)有機(jī)太陽(yáng)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(guó)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(cè)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(yáng)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(guò)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(yáng)極界面層，制備了光穩(wěn)定性能優(yōu)異的的無(wú)機(jī)混合鹵化物鈣鈦礦太陽(yáng)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(yáng)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(rùn)濕性，促進(jìn)高質(zhì)量全無(wú)機(jī)鈣鈦礦薄膜的生長(zhǎng)。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(guò)16％，這是所有無(wú)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(yáng)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(guò)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(lái)，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(guò)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(shì)，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(guò)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(yáng)能電池｜領(lǐng)域中的高被引論文
串聯(lián)有機(jī)太陽(yáng)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(guò)去的幾年中，低能隙材料在長(zhǎng)波長(zhǎng)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(yáng)能電池時(shí)，獲得的PCE為15％，這是迄今為止在有機(jī)太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)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(guò)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(yáng)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(duì)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(yáng)電池｜領(lǐng)域中的高被引論文
有機(jī)太陽(yáng)電池因具備柔性、材料來(lái)源廣以及可卷對(duì)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(lái)，隨著非富勒烯受體的開發(fā)，有機(jī)太陽(yáng)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(yáng)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(guò)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(yáng)電池的開發(fā)帶來(lái)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(guò)分層沉積的方法，分別將給體材料和受體材料通過(guò)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(yáng)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(cè)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(duì)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(duì)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(guò)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.
