追光“換”電，助力能源革命

以清潔低碳、安全高效作為底色的新一輪能源革命悄然到來。

如何更好地獲取清潔低碳能源并實(shí)現(xiàn)高效利用，是當(dāng)前人類面臨的重大挑戰(zhàn)。能夠高效實(shí)現(xiàn)光電互相轉(zhuǎn)換的光電材料，吸引了全球科學(xué)家的目光。

自2011年以來，中國(guó)科學(xué)家在國(guó)家自然科學(xué)基金重大研究計(jì)劃“面向能源的光電轉(zhuǎn)換材料”的持續(xù)支持下開展系列科研攻關(guān)，在理論和實(shí)驗(yàn)的源頭創(chuàng)新上同時(shí)發(fā)力，在有機(jī)發(fā)光二極管、有機(jī)光伏材料及無機(jī)光電材料等方面取得了豐碩成果，提高了我國(guó)在該領(lǐng)域的國(guó)際影響力。

▲科學(xué)家研發(fā)出具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的“可印刷介觀鈣鈦礦太陽能電池”，已實(shí)現(xiàn)示范發(fā)電。

▲科學(xué)家研發(fā)出的高性能柔性有機(jī)太陽能電池示意圖。

在能源與環(huán)境問題成為人類所面臨的重大挑戰(zhàn)的今天，以清潔低碳、安全高效為關(guān)鍵的新一輪能源革命悄然到來。如何更好地獲取清潔低碳能源并實(shí)現(xiàn)高效利用，是亟待解決的難題。能夠?qū)崿F(xiàn)高效光電互相轉(zhuǎn)換的光電材料，吸引了全球科學(xué)家的目光。

2011年，國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)（以下簡(jiǎn)稱自然科學(xué)基金委）啟動(dòng)“面向能源的光電轉(zhuǎn)換材料”重大研究計(jì)劃（以下簡(jiǎn)稱重大研究計(jì)劃）。在項(xiàng)目執(zhí)行期，重大研究計(jì)劃在理論和實(shí)驗(yàn)的源頭創(chuàng)新上實(shí)現(xiàn)了突破，取得了多項(xiàng)高水平研究成果，提高了我國(guó)在光電材料與器件研究領(lǐng)域的整體創(chuàng)新能力和國(guó)際影響力。

“要敢于嘗試由重大戰(zhàn)略目標(biāo)牽引的科學(xué)前沿探索研究，更要把科學(xué)研究聚焦到國(guó)家重大戰(zhàn)略和人類生存的迫切需求上。”該重大研究計(jì)劃指導(dǎo)專家組組長(zhǎng)、中國(guó)科學(xué)院院士許寧生接受《中國(guó)科學(xué)報(bào)》采訪時(shí)表示，這是整個(gè)研究計(jì)劃的首要“主張”。

醞釀：十年又十年

光電材料與器件的開發(fā)是科學(xué)前沿難題，但其成功研發(fā)能造福人類。

太陽能電池、電子顯示屏等生活中隨處可見的設(shè)備都是光電材料的實(shí)際應(yīng)用。鑒于這種材料的重要性，國(guó)際上不少發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)對(duì)太陽能電池與半導(dǎo)體照明相關(guān)材料和器件的研究給予了長(zhǎng)期支持。

20世紀(jì)90年代末，許寧生作為年輕科學(xué)家受邀參加“光電信息功能材料”相關(guān)項(xiàng)目的重要性與可行性論證研討，有機(jī)會(huì)學(xué)習(xí)老一輩科學(xué)家和同行們?cè)谥匾茖W(xué)前沿不斷進(jìn)取的精神。很快，科學(xué)家們?cè)诳茖W(xué)問題上達(dá)成共識(shí)，并于2001年啟動(dòng)了“光電信息功能材料”重大研究計(jì)劃。這是自然科學(xué)基金委啟動(dòng)的首個(gè)重大研究計(jì)劃。

依托“光電信息功能材料”重大研究計(jì)劃，我國(guó)搭建起一個(gè)以“光電信息功能材料”為中心的學(xué)科交叉研究平臺(tái)，研發(fā)獲得一批擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的光電材料和技術(shù)，穩(wěn)定支持了具有創(chuàng)新意識(shí)、活躍思維的中青年人才隊(duì)伍，為發(fā)展擁有自主核心技術(shù)的產(chǎn)業(yè)提供了技術(shù)、知識(shí)和人才儲(chǔ)備。

“這一重大研究計(jì)劃持續(xù)資助了8年，使我國(guó)在該領(lǐng)域具備了一定的研究基礎(chǔ)，但總體上還是呈‘跟跑’狀態(tài)。”許寧生告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，當(dāng)時(shí)，指導(dǎo)專家組一致認(rèn)為，科學(xué)家們還得繼續(xù)干。

大約從2008年開始，新一輪重大研究計(jì)劃進(jìn)入“醞釀期”?？茖W(xué)家們注意到時(shí)代發(fā)展帶來的新變化：由于燃煤發(fā)電給城市帶來了嚴(yán)重的環(huán)境污染問題，熱電廠從城市遷出；化石能源燃燒導(dǎo)致溫室氣體排放，加速全球變暖，清潔低碳能源成為人類可持續(xù)發(fā)展的必然選擇；能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)正在發(fā)生變化，例如大面積的太陽能電池發(fā)電應(yīng)用越來越多?？傊?，能源與環(huán)境問題越來越嚴(yán)峻，如何發(fā)展清潔能源成為人類社會(huì)面臨的重大挑戰(zhàn)。

“我們要把光電材料的科學(xué)研究聚焦到國(guó)家重大戰(zhàn)略和人類生存的迫切需求上來。”許寧生這樣說。這一理念得到了同行一致贊同。

經(jīng)過兩年多的研討論證，2011年，自然科學(xué)基金委啟動(dòng)了“面向能源的光電轉(zhuǎn)換材料”重大研究計(jì)劃，由許寧生等科學(xué)家組成專家團(tuán)隊(duì)，從前輩科學(xué)家手中接過“接力棒”，聚焦能源領(lǐng)域，助力國(guó)家把能源安全牢牢掌握在自己手中。

如今，團(tuán)隊(duì)科學(xué)家們欣喜地看到，當(dāng)年的這一研究布局極具前瞻性，為我國(guó)實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

難題：光與電的轉(zhuǎn)換效率

太陽能取之不盡，用之不竭，是儲(chǔ)量最大的清潔可再生能源。

太陽能光伏發(fā)電是利用太陽能電池將太陽光能直接轉(zhuǎn)化為電能的技術(shù)。“發(fā)電更光伏，發(fā)光更省電。”這是許寧生一直以來的理念，也是期待。

根據(jù)國(guó)家發(fā)展改革委能源研究所預(yù)測(cè)，2050年光伏發(fā)電將成為我國(guó)第一大電力來源，占當(dāng)年全國(guó)用電量的40%左右，2021年這一數(shù)字僅為4%。然而，光電轉(zhuǎn)換效率是太陽能光伏應(yīng)用的瓶頸之一。

光電材料主要包括兩大類，即實(shí)現(xiàn)太陽能高效獲取的光伏材料和實(shí)現(xiàn)能源高效利用的發(fā)光與照明材料，這恰好對(duì)應(yīng)著能源的“開源”和“節(jié)流”兩個(gè)方面。開源，即獲取能源；節(jié)流，即高效利用能源。事實(shí)上，當(dāng)前世界各國(guó)正從這兩方面推動(dòng)新一輪能源變革。

在能源獲取方面，太陽能光伏逐漸成為世界能源供應(yīng)的重要組成部分，開發(fā)低成本、環(huán)境友好、資源豐富的光伏電池是太陽能光伏的目標(biāo)；在能源高效利用方面，開發(fā)綠色環(huán)保、長(zhǎng)壽命和節(jié)能的半導(dǎo)體照明技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗、保護(hù)環(huán)境的一個(gè)重要途徑。

“核心難題是光電轉(zhuǎn)換效率。”許寧生告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，一方面是如何提高太陽能轉(zhuǎn)化為電能的效率，另一方面是如何提高電能轉(zhuǎn)化為光能的效率，而解決這兩個(gè)難題，依賴于光電材料這個(gè)媒介。

難題擺在了面前，不同學(xué)科背景的專家多次研討凝練，提出了重大研究計(jì)劃的總體科學(xué)目標(biāo)：瞄準(zhǔn)學(xué)科前沿，面向當(dāng)前的能源短缺和環(huán)境污染等重大戰(zhàn)略問題，以高效光-電和電-光轉(zhuǎn)換為核心，以材料設(shè)計(jì)和制備為基礎(chǔ)，解決高性能光電轉(zhuǎn)換材料與器件制備方面的關(guān)鍵科學(xué)與技術(shù)問題，在理論和實(shí)驗(yàn)的源頭創(chuàng)新上取得突破，提高了我國(guó)在光電材料與器件研究領(lǐng)域的整體創(chuàng)新能力和國(guó)際影響力。

同時(shí)，該重大研究計(jì)劃聚焦三大關(guān)鍵科學(xué)問題：光-電/電-光轉(zhuǎn)換基本過程與新原理，高效、穩(wěn)定光電轉(zhuǎn)換材料的理性設(shè)計(jì)與可控制備，以及光電材料與器件中的結(jié)構(gòu)和表界面設(shè)計(jì)與調(diào)控。

突破：用之于民的科學(xué)研究

“基礎(chǔ)研究和應(yīng)用基礎(chǔ)研究一定要扎實(shí)，研究成果要能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化，只有轉(zhuǎn)化才能對(duì)社會(huì)有貢獻(xiàn)，老百姓才能受益。”許寧生說。

10余年來，科學(xué)家們努力攻關(guān)，取得了一系列具有國(guó)際影響力的重大突破和原創(chuàng)性成果，在光伏和發(fā)光領(lǐng)域的若干方向上實(shí)現(xiàn)了從“跟跑”到“領(lǐng)跑”的跨越式發(fā)展，部分領(lǐng)域長(zhǎng)期引領(lǐng)國(guó)際前沿和發(fā)展方向，極大提高了我國(guó)在這些領(lǐng)域的整體創(chuàng)新能力和國(guó)際影響力，為我國(guó)能源光電材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展升級(jí)提供了理論支撐和技術(shù)儲(chǔ)備。

例如，我國(guó)學(xué)者原創(chuàng)設(shè)計(jì)新型有機(jī)光伏材料體系，將國(guó)際有機(jī)光伏領(lǐng)域全面引入“小分子受體”時(shí)代，頻繁刷新有機(jī)光伏電池效率大于19%的世界紀(jì)錄；創(chuàng)造了熱活化延遲螢光（TADF）材料紅、藍(lán)、綠光有機(jī)發(fā)光半導(dǎo)體性能的世界紀(jì)錄；提出的穩(wěn)定性提升策略推動(dòng)了我國(guó)在鈣鈦礦光伏穩(wěn)定性方面達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平；闡明量子點(diǎn)發(fā)光機(jī)制，創(chuàng)造了量子點(diǎn)發(fā)光二極管（QLED）性能的世界紀(jì)錄，夯實(shí)了QLED的科學(xué)基礎(chǔ)……

在理論創(chuàng)新、材料制備、器件設(shè)計(jì)的研究基礎(chǔ)上，科學(xué)家們還取得了成果轉(zhuǎn)化的多項(xiàng)突破。開發(fā)的理論模擬和材料性能預(yù)測(cè)的商業(yè)化軟件，被國(guó)內(nèi)外幾十家國(guó)際知名公司和學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)采購(gòu)；有機(jī)光伏成果開始轉(zhuǎn)化，初步建成5000平方米中試產(chǎn)線，相關(guān)產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)銷售額數(shù)千萬元等。

豐碩的研究成果遠(yuǎn)超預(yù)期，這給科學(xué)家們帶來極大的信心。

接受《中國(guó)科學(xué)報(bào)》采訪時(shí)，許寧生談到了重大研究計(jì)劃的第二個(gè)“主張”，即把國(guó)家戰(zhàn)略目標(biāo)與重大科學(xué)問題研究緊密結(jié)合在一起。他表示，重大研究計(jì)劃在實(shí)施過程中一直堅(jiān)持探索如何做好這一點(diǎn)。

在重大研究計(jì)劃實(shí)施過程中，科研工作者們胸懷祖國(guó)、服務(wù)人民、潛心研究，提出了光伏前沿領(lǐng)域系列理論，實(shí)現(xiàn)了多種材料和器件的性能突破，努力為經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展作貢獻(xiàn)。

合作：有組織科研與自由探索結(jié)合

光電材料是多學(xué)科交叉的前沿，涉及材料、化學(xué)、物理、電子、數(shù)學(xué)、生物等學(xué)科，合作是必須的。

“盡管有自由探索，但自由不是漫無邊際。整體上，我們開展有組織的重大科學(xué)問題的研究。”許寧生表示，在重大研究計(jì)劃執(zhí)行期間，他們有意識(shí)地探索了“有組織的科研組織”模式。

“有組織的科研組織”推動(dòng)了多學(xué)科深度交叉融合集成創(chuàng)新：有機(jī)合成化學(xué)、高分子科學(xué)與材料學(xué)的交叉融合；凝聚態(tài)物理學(xué)、半導(dǎo)體物理學(xué)與新興的有機(jī)半導(dǎo)體科學(xué)的交叉融合；物理建模與化學(xué)結(jié)構(gòu)模擬的交叉融合；半導(dǎo)體器件物理和新興的印刷電子學(xué)的交叉融合。

科研不止，創(chuàng)新無盡。

談及未來計(jì)劃，許寧生已有思考，光電轉(zhuǎn)換的效率還需要進(jìn)一步在理論上突破，技術(shù)上要抓住不同性能材料形成的“結(jié)”這個(gè)“牛鼻子”，合成出更多新材料。這里的“結(jié)”可以通俗理解為在微納尺度上將不同電子結(jié)構(gòu)的材料拼在一起形成的界面，材料之間會(huì)發(fā)生相互作用，并產(chǎn)生單一材料所不具備的新性質(zhì)。例如，半導(dǎo)體的“PN結(jié)”，即P型半導(dǎo)體過渡到N型半導(dǎo)體的交界面。同時(shí)，工程上要做更大面積、更柔性的太陽能電池板；經(jīng)濟(jì)上要更便宜，才能更好地推進(jìn)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用。

此外，值得一提的是，為保證項(xiàng)目評(píng)審客觀公正，避免“干擾雜音”，重大研究計(jì)劃也做出了創(chuàng)新探索和協(xié)同努力：在評(píng)審機(jī)制保障上，根據(jù)指導(dǎo)專家組和管理工作組的職責(zé)，建立了分工不同、相互協(xié)調(diào)、相互制約的有序工作關(guān)系，會(huì)議評(píng)審采取聽取答辯的方式，資助項(xiàng)目須獲得半數(shù)以上贊成票，集成項(xiàng)目會(huì)評(píng)投票采取記名投票。

在項(xiàng)目管理上，指導(dǎo)專家組對(duì)重大研究計(jì)劃項(xiàng)目實(shí)施動(dòng)態(tài)管理并進(jìn)行學(xué)術(shù)指導(dǎo)，不定期組織部分項(xiàng)目專題研討，選擇有突出進(jìn)展或存在問題的項(xiàng)目進(jìn)行實(shí)地考察。同時(shí)，指導(dǎo)專家組可中止實(shí)施過程中存在嚴(yán)重問題的項(xiàng)目。此外，年度學(xué)術(shù)交流活動(dòng)，有助于做好戰(zhàn)略調(diào)研與規(guī)劃，既可交流學(xué)術(shù)，也可相互監(jiān)督，保障公平性。

基于新原理的高性能有機(jī)發(fā)光材料研發(fā)成功

有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）是新一代信息顯示技術(shù)，具有低能耗、柔性輕薄、超強(qiáng)感官體驗(yàn)等優(yōu)勢(shì)，可滿足豐富的場(chǎng)景化應(yīng)用，為可穿戴、車載、教育、醫(yī)療等智能終端提供了新的可能。

在國(guó)家自然科學(xué)基金重大研究計(jì)劃“面向能源的光電轉(zhuǎn)換材料”支持下，科學(xué)家提出了突破現(xiàn)有發(fā)光理論框架的新發(fā)光機(jī)制，制備出大面積柔性白光OLED照明器件，在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了晶圓級(jí)有機(jī)半導(dǎo)體單晶制備。

高效率OLED是提升能源利用效率、實(shí)現(xiàn)綠色低碳及實(shí)施“雙碳”戰(zhàn)略的重要助力。當(dāng)前，在有機(jī)半導(dǎo)體發(fā)光材料體系發(fā)展中，第二代磷光材料和第三代TADF材料的核心技術(shù)專利均被日本、美國(guó)、德國(guó)等外國(guó)公司所掌握，關(guān)鍵的OLED發(fā)光材料及器件制備設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化程度還很低。

中國(guó)科學(xué)院院士、華南理工大學(xué)教授馬於光表示，應(yīng)當(dāng)首先探尋新發(fā)光原理、發(fā)展新研究方法，并基于此開發(fā)系列新發(fā)光材料，從源頭上創(chuàng)新，突破國(guó)外核心專利壁壘。

科研人員突破現(xiàn)有光物理理論框架，利用“高能反系間竄越”的原理，實(shí)現(xiàn)100%單線態(tài)激子發(fā)光的“熱激子”機(jī)制，研制出擁有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的有機(jī)發(fā)光材料新體系，為新一代低成本光材料的設(shè)計(jì)制備提供了全新路徑。

基礎(chǔ)研究促進(jìn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展?；谠摍C(jī)制的熱激子藍(lán)光材料在主要性能上優(yōu)于現(xiàn)有產(chǎn)線材料，已開始在京東方、華星光電等企業(yè)開展產(chǎn)線上驗(yàn)證，并成立東莞伏安光電科技有限公司推進(jìn)量產(chǎn)應(yīng)用。

同時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)一類全新的高穩(wěn)定性、高發(fā)光效率自由基發(fā)光材料體系。其具有雙線態(tài)特征，從而在源頭上規(guī)避了暗態(tài)（T）的形成，并由此提出了“自由基雙線態(tài)發(fā)光”這一全新原理?；诖祟惒牧显O(shè)計(jì)的新器件在性能上取得重大突破，是當(dāng)時(shí)報(bào)道中效率最高的紅光材料。

科研人員發(fā)現(xiàn)了激活T的聚集體結(jié)構(gòu)及室溫磷光材料，建立和發(fā)展了室溫磷光的理論模型，引領(lǐng)了純有機(jī)室溫磷光研究方向。

此外，科研人員還提出了“H聚集穩(wěn)態(tài)三線態(tài)激子”的分子設(shè)計(jì)策略，實(shí)現(xiàn)純有機(jī)分子三線態(tài)激子的高效利用，開發(fā)出單一有機(jī)晶體材料下的多彩長(zhǎng)余輝顯示，創(chuàng)制出首例多彩有機(jī)“夜明珠”。

白光OLED作為新一代固體照明光源，具有高能效、綠色環(huán)保、面光源、發(fā)光均勻、光線柔和、色溫可調(diào)、低成本、大面積、可實(shí)現(xiàn)柔性化等優(yōu)點(diǎn)。然而，高效率、大面積、柔性白光OLED照明器件集成是發(fā)展白光OLED照明器件面臨的挑戰(zhàn)。

對(duì)此，科學(xué)人員通過合作攻關(guān)，研制出大面積、高導(dǎo)電率、高透光性的銀柔性透明電極，實(shí)現(xiàn)了納米尺度的光學(xué)耦合調(diào)控，最終將柔性透明電極與光學(xué)器件耦合集成，獲得了創(chuàng)紀(jì)錄的高效柔性白光照明器件。

馬於光（左一）在指導(dǎo)學(xué)生。

高效有機(jī)光伏材料與器件成功制備

有機(jī)太陽能電池利用有機(jī)半導(dǎo)體光伏活性材料實(shí)現(xiàn)太陽光能向電能轉(zhuǎn)化利用，是具有重要應(yīng)用潛力的新型光伏技術(shù)，包含大量的基礎(chǔ)科學(xué)與技術(shù)問題，也是國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)最為激烈的研究前沿之一。

其中，給體、受體光伏材料和電極界面修飾層材料是有機(jī)太陽能電池的關(guān)鍵材料，而如何提升光-電能量轉(zhuǎn)換效率是材料研究的核心問題。

在國(guó)家自然科學(xué)基金重大研究計(jì)劃“面向能源的光電轉(zhuǎn)換材料”支持下，我國(guó)科學(xué)家設(shè)計(jì)合成了系列新型高效有機(jī)光伏材料，制備了高效有機(jī)太陽能電池器件。

中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所研究員李永舫表示，研發(fā)新型電子受體材料以及與之匹配的新型聚合物電子給體材料，優(yōu)化相應(yīng)活性層形貌，從而提升器件光伏性能，是該領(lǐng)域的迫切需求。重大研究計(jì)劃立項(xiàng)之初，富勒烯衍生物在有機(jī)受體光伏材料中占有支配性地位。但是，這類受體材料的光吸收性能較差、電子能級(jí)難以調(diào)控、能量損失大，這導(dǎo)致有機(jī)太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率最高只能達(dá)到12%。

為攻克富勒烯衍生物受體存在的問題，我國(guó)科研人員于2015年原創(chuàng)開發(fā)了具有稠環(huán)給電子（D）中心單元和強(qiáng)吸電子（A）末端的A-D-A型有機(jī)小分子受體光伏材料。這類受體材料具有窄帶隙、寬吸收、合適的電子能級(jí)和易加工制備等突出優(yōu)點(diǎn)?；谶@類小分子受體和寬帶隙聚合物給體材料的有機(jī)太陽能電池能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了11%～14%的水平。

在此基礎(chǔ)上，科研人員進(jìn)一步合成了A-DAD-A結(jié)構(gòu)的新型小分子受體光伏材料，尤其是以苯并噻二唑?yàn)锳單元的受體Y6，吸收邊紅移至900多納米，還具有合適的電子能級(jí)、強(qiáng)的聚集性能、低的激子束縛能?；赮6及其衍生物受體的有機(jī)太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率已從2019年報(bào)道的15.7%迅速提升至最近的超過19%，達(dá)到了可以向?qū)嶋H應(yīng)用發(fā)展的水平。這類新型窄帶隙有機(jī)小分子受體光伏材料得到了國(guó)際同行的普遍認(rèn)可，并被廣泛使用，引領(lǐng)和推動(dòng)了有機(jī)光伏領(lǐng)域的發(fā)展。

此外，開發(fā)與窄帶隙受體匹配的高效聚合物給體光伏材料對(duì)提升有機(jī)太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率十分重要。科研人員原創(chuàng)設(shè)計(jì)了多種基于帶噻吩共軛側(cè)鏈的苯并二噻吩給電子解耦給單元的D-A寬帶隙共聚物給體光伏材料，與受體高度匹配，獲得了優(yōu)異的有機(jī)光伏性能。尤其值得一提的是，2018年報(bào)道的具有簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的低成本聚合物給體PTQ10，其二元有機(jī)太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率超過18.5%，三元器件的能量轉(zhuǎn)換效率超過19%。

基于聚合物給體和聚合物受體的全聚合物太陽能電池具有成膜性好、柔韌性好和穩(wěn)定性好的突出優(yōu)點(diǎn)。然而，早期的全聚合物太陽能電池由于缺少高效的聚合物受體，效率較低。2017年，科研人員提出了窄帶隙小分子受體高分子化的策略，基于A-D-A型和A-DAD-A型小分子受體制備了高效聚合物受體光伏材料，尤其是基于A-DAD-A型小分子受體的聚合物受體光伏材料，使全聚合物太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率超過18%。

李永舫（前排左二）和器件制備的科研人員進(jìn)行討論。

科學(xué)家制備出新一代無機(jī)光電關(guān)鍵材料

新一代無機(jī)光電材料具有低成本、高性能的優(yōu)勢(shì)，在光伏發(fā)電及柔性顯示與照明領(lǐng)域應(yīng)用潛力巨大。在國(guó)家自然科學(xué)基金重大研究計(jì)劃“面向能源的光電轉(zhuǎn)換材料”支持下，科學(xué)家基于溶液法制備出新型無機(jī)光電材料，并探索新機(jī)制、新結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定、可大面積制備的光電器件。

鈣鈦礦是新興的變革性光伏材料來源，避免了由濕法工藝帶來的材料晶體質(zhì)量低、缺陷密度大的問題。在專家們看來，獲得高穩(wěn)定、高效率、大面積器件是鈣鈦礦光伏產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵?？蒲腥藛T提出了新原理、新工藝、新器件結(jié)構(gòu)，多次實(shí)現(xiàn)器件性能重大突破，使我國(guó)鈣鈦礦光伏在穩(wěn)定性與效率方面均處于世界先進(jìn)水平。

科研人員提出了鈣鈦礦材料的取向生長(zhǎng)及缺陷鈍化方法，實(shí)現(xiàn)了組分、相態(tài)、維度、生長(zhǎng)過程、缺陷態(tài)密度以及半導(dǎo)體特性的調(diào)控；通過調(diào)控鈣鈦礦材料的半導(dǎo)體性質(zhì)，創(chuàng)造了反式結(jié)構(gòu)鈣鈦礦光伏器件效率的世界紀(jì)錄；基于循環(huán)“氧化還原梭”的策略，實(shí)現(xiàn)缺陷對(duì)的可循環(huán)修復(fù)，極大延長(zhǎng)了鉛鹵鈣鈦礦材料及器件在工況條件下的本征穩(wěn)定性。

同時(shí)，科研人員還研制出基于印刷工藝及低成本原材料的無空穴傳輸材料型可印刷鈣鈦礦太陽能電池，大大提升了鈣鈦礦電池的穩(wěn)定性。

南京工業(yè)大學(xué)教授王建浦表示，當(dāng)前發(fā)展發(fā)光二極管（LED）器件面臨的挑戰(zhàn)是厘清材料維度與性能的構(gòu)效關(guān)系，制備低缺陷、高熒光產(chǎn)率薄膜，實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定的發(fā)光器件。

對(duì)此，科研人員提出了材料維度調(diào)控與自發(fā)形成微結(jié)構(gòu)的光場(chǎng)調(diào)控等研究思路，多次刷新器件性能紀(jì)錄，使我國(guó)在鈣鈦礦LED領(lǐng)域長(zhǎng)期領(lǐng)跑世界?？蒲腥藛T利用添加劑自組裝形成低缺陷、亞微米結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦薄膜，提高了器件光提取效率，刷新了鈣鈦礦LED效率的世界紀(jì)錄。

此外，量子點(diǎn)是人類迄今發(fā)現(xiàn)最好的發(fā)光材料之一，基于量子點(diǎn)的電發(fā)光則是下一代顯示技術(shù)的未來之星。針對(duì)現(xiàn)存的技術(shù)瓶頸難題，科研人員提出“量子點(diǎn)激發(fā)態(tài)合成控制”和“熵配體”模型，解決了量子點(diǎn)墨水穩(wěn)定性難題，制備了可滿足大屏顯示應(yīng)用需求的高穩(wěn)定量子點(diǎn)發(fā)光二極管（QLED）原型器件。如今，量子點(diǎn)激發(fā)態(tài)合成控制技術(shù)成果已全面實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化，建成了全球最大的量子點(diǎn)材料生產(chǎn)基地，總銷售額超過3億元。

王建浦（右二）和同事們探討研究亞微米尺度的離散型鈣鈦礦薄膜。

（本版文章由本報(bào)記者韓揚(yáng)眉采寫，圖片均由研究團(tuán)隊(duì)提供）