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《苏州纳米所马昌期研究团队等在聚合物:富勒烯薄膜光伏衰减机制与稳定性提升研究方面取得重要进展》

  • 来源专题：中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
  • 编译者： 冯瑞华
  • 发布时间：2020-04-12

  • 聚合物太阳能电池（ PSCs ）作为一种新型薄膜光伏电池，具有成本低、可溶液制备、毒性低、材料来源广等优点， 被认为是很有前途的新型能源技术之一。要实现 PSCs 的真正商业化应用，需要满足三大条件： 高效率、高稳定性和低成本 。经过科学家的不懈努力， 目前 PSCs 的最高效率已超过 18% ，已接近商业化应用要求。此外，聚合物太阳能电池的轻柔以及可大面积印刷制备等特点，可以大大地降低器件的制备成本。然而到目前为止，文献报道的大多数聚合物太阳能电池的寿命只有几个月，还远未达到实用化要求（ 10 年），对聚合物太阳能电池衰减机理的理解也不够深入。 中国科学院 苏州纳米所 马昌期研究员 联合太原理工大学 闫翎鹏博士、杨永珍教授 一同对聚合物 : 富勒烯薄膜光伏电池的衰减机理机制以及稳定性提升方法进行了系统的研究。该 团队研究发现传统的 P3HT:PC 61 BM 太阳能电池的衰减过程 中 表现出明显的负载依赖性， 即器件在开路条件下衰减最快，而在短路条件下衰减最慢 （图 1 左） ， 同时这一衰减过程具 有一定的可逆性（图 1 右）。进一步的分析结果表明，该类光伏电池衰减的负载依赖性主要是由于外接负载的不同导致器件内部电势分布的差异，进而 引发活性层内 光生 高能激子 浓度 的不同 （图 2 ），从而 导致活性层中 PC 61 BM 激 子二聚程度的不同。这一结果表明聚合物 : 富勒烯光伏电池体系中活性层内受光激发的高能激子的浓度是导致器件衰减的一个重要本征原因 （ Journal of Materials Chemistry A , 2017, 5, 10010-10020 ）。

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  • 《全球聚合物纳米复合材料顶尖研究团队介绍及最新研究进展梳理》
    • 来源专题：中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者：冯瑞华
    • 发布时间：2018-07-23
    • 复合材料是由金属材料、陶瓷材料或高分子材料等两种或者两种以上的材料经过加工而成的多相材料。聚合物纳米复合材料是以聚合物为基体连续相，以纳米尺寸的填充物为分散相的复合材料。其中纳米尺寸的分散相包括金属、半导体、无机盐纳米粒子，纳米纤维，碳纳米管，石墨烯等，这些纳米尺寸的材料通过适当的制备方法均匀分散在聚合物基底中，形成聚合物纳米复合材料。这一类材料糅合了不同材料成分和纳米材料的优点，产生协同效应，综合性能优于原组成材料，具有较高的机械性能、导电性、隔热性和生物兼容性。 聚合物纳米复合材料的合成及功能研究正处于一个快速创新的发展阶段，世界各国都有众多研究者们对聚合物纳米复合材料及其应用进行研究，并取得重大成果。目前，很多材料已经初步进入商业开发阶段。本文将结合部分国内外顶尖聚合物纳米复合材料研究团队及其研究进展，对聚合物纳米复合材料的研究现状和发展情况进行梳理。 夏幼南（佐治亚理工学院） 夏幼南于1996年毕业于哈佛大学，获得物理化学博士学位，师从George M. Whitesides 教授，现为佐治亚理工学院生物工程系和化学与生物化学系纳米医学领域Brock Family Chair及Georgia Rearch Alliance杰出学者。在加入佐治亚理工学院之前，夏幼南曾任职于美国华盛顿大学圣路易斯分校和圣路易斯华盛顿大学。夏幼南教授现担任美国化学会Nano Letters副主编，及Angewandte Chemie International Edition，Chemistry : A European Journal，Nano Today等多个杂志的编委。 夏幼南教授2017年获得美国材料研究学会奖章， 2014-2017连续4年入选汤森路透集团发布的化学领域和材料领域汤森路透高被引科学家名单，2014年当选ACS Fellow，并被汤森路透集团评为全球最有影响力的材料科学家（排名第4）。另外，夏教授还曾获得ACS贝克兰奖和材料化学奖，是第一位获得这两个奖项的华人科学家。他在任教以来，发表SCI 论文近700篇，被引用次数近十余万次，H因子为209。 夏幼南教授在聚合物纳米复合材料方面的研究主要应用在纳米医药和再生药物上，包括以下几个方面： （1）纳米晶体在生物系统方面的应用，旨在获得功能纳米晶体通过其光热效应进行医疗处理。在目前的研究中，课题组用智能聚合物包裹金纳米笼形成纳米胶囊用于靶向缓释递药，该系统具有极高的准确率。（2）将静电纺丝用于神经组织工程、递药系统、干细胞研究和腱-骨嵌入的修复。（3）高磁性胶体粒子对生物分子和细胞的分离、检测、改性和跟踪等方面的应用。 最近夏幼南教授课题组开发出一种蜂巢状多管道纳米纤维导管，并将其应用于末梢神经的修复。该导管的设计模仿了末梢神经结构，作者先用无序纳米纤维膜将定向排列的有序纳米纤维膜包裹卷成管状，然后将七个这样的管道包裹进一根大管道的内腔，形成蜂巢状多管道导管（图1）。在管壁之间导入粘合剂之后，该管道的强度和韧性能够达到外科手术操作的标准。 图1. 多管道纳米纤维导管示意图 Christoph J. Brabec（德国埃尔兰根-纽伦堡大学） Christoph J. Brabec教授现任德国爱尔兰根－纽伦堡大学材料系主任和电子能源材料理工学院院长，德国应用能源研究会董事会主席（Head of Board of ZAE Bayern eV），2015年入选汤森路透集团评选的全球最有影响力的材料学家前1%。现已发表学术论文500余篇，被引用6万余次，H因子高于100。 Christoph J. Brabec教授一直从事有机电子和能源材料领域的研究，并致力于推进低成本有机薄膜光伏电池的商业化，率先完成了可再生能源领域，特别是在有机可印刷光伏领域研究体系的系统整合。其课题组近年来在有机光电材料混溶性以理论预测实验、全自动高通量表征制备有机太阳能电池等方面有很优秀的科研成果，给大家提供了新能源和有机光伏产业化的光明前景。 有机太阳能电池是20世纪90年代发展起来的新型太阳能电池，以有机半导体作为实现光电转换的活性材料。与无机太阳能电池相比，它具有成本低、厚度薄、质量轻、制造工艺简单、可做成大面积柔性器件等优点，但缺点是能量转换效率较低，稳定性差和强度低。最近，Christoph J. Brabec课题组研发出一种基于P3HT（聚3-己烷噻吩）和ICBA（富勒烯C60）的纳米粒子墨水。该纳米粒子在乙醇中合成，分散粒径达80－100纳米，有效减少了粒子聚集，光伏转化率高达4.52%，高于目前同类有机光伏器件在水／醇体系中的转化率。此方法有望引发生态友好的有机光伏器件的研究热潮。 图2.P3HT/ICBA纳米粒子墨水（(a)-(d)）及有机光伏器件(e) Philippe Dubois（比利时蒙斯大学） Dr. Philippe Dubios是比利时蒙斯大学副校长、比利时皇家科学院院士，卢森堡大学荣誉教授，在有机化学、大分子化学、聚合物材料催化剂、聚合物熔融反应加工、纳米复合材料与工程以及生物基生物降解聚合物等一系列研究领域均有非常高的知名度与影响力。目前Philippe Dubios教授已发表超过700多篇科研论文，出版了8本学术专著，其个人H-Index达94，文章被引用4万多次。 近年来，Philippe Dubios教授致力于聚合物（PLA、纤维素）－硅纳米粒子／碳基复合材料、聚合物纳米晶体材料的研究，将其制备成形状记忆材料、光伏电子材料、表面保护材料等。 聚乳酸（PLA）是一种可降解、生物兼容性强的聚合物，具有良好的热机械性能，被广泛应用于生物、自动化和电子器件中。Philippe Dubios教授课题组尝试将表面改性的硅纳米粒子分散在聚乳酸基质中，两者通过静电作用结合，可获得固定性达100%和恢复率达79%的形状记忆材料。 图3. PLA/Si 纳米粒子复合材料及其形状记忆性能 马晓龙（密歇根大学） 马晓龙教授1992获得美国Rutgers大学博士学位，1993至1996年在麻省理工学院和哈佛医学院做博士后。现任美国密歇根大学生物医学工程系、工程学院大分子科学与工程中心和牙医学院教授。 2000年，马晓龙教授荣获“杜邦年轻科学家奖”，是密歇根大学首位获此殊荣的教授，2006年获选美国医学与生物工程学会荣誉会员，2007 年当选为美国医药生物工程学会（AIMBE）FELLOW。 马晓龙教授国际上最早开展组织工程支架研究的科学家之一， 其研究领域为生物医学材料及组织工程，仿生材料、可再生3D 功能组织、药物缓释、自组装及纳米材料等。马教授曾在各种国际国内学术会议及大学做200多次特邀报告和讲座。迄今已在专著及会议录上发表250多篇论文和章节，授权和申请美国专利30余项。论文被SCI引用25500次，H-index为76。 miRNA可以用来促进组织再生。最近，马晓龙教授课题组合成一种超支化聚合物，通过自组装形成纳米尺寸的双壳结构多聚物。该聚合体具有极强的miRNA亲和力和高转染率，几乎没有细胞毒性。利用微球结构包裹此多聚物和miRNA附着在纳米纤维支架上可以实现可控两步递送（图4）。此方法因应用无细胞支架便可实现miRNA治疗，解决了组织工程领域中可再生药物的关键难题。 图4. miRNA两步递送示意图 Craig J. HAWKER（加州大学圣巴巴拉分校） Craig J. HAWKER教授1988年博士毕业于剑桥大学，现任职于加州大学圣巴巴拉分校，是该校纳米系统学院院长，材料系主任。2017年因其在聚合物研究领域做出的突出贡献获得ACS 颁发的Charles G. Overberger International Prize，2015年当选美国文理学科学院Fellow。Craig J. HAWKER教授研究方向主要包括大分子合成、生物和电子材料、聚合物自组装等，至今已发表SCI论文500余篇，被引用7万余次，H-index为139。 表面引发聚合是制备高强性功能聚合物的有效方法。Craig J. HAWKER教授课题组提出一种操作简单、无需金属多表面引发原子转移自由基聚合方法（SI-ATRP）（图5），该方法利用可见光调控，可在纳米粒子或者10cm平面上获得形貌整齐的聚合物纳米刷，为在大面积平面上制备复合功能材料提供了很好的视角和思路。 图5. SI-ATRP示意图 纳米技术赋予了传统聚合物新的性能，使其具有更好的机械性能、热力学性能、导电导热性能和生物兼容性，由此聚合物纳米尺寸的研究进入一个新的快速发展时期；同时，无机纳米材料与聚合物的复合也更能充分发挥两者的优点，在此基础上，新的研究领域和应用也将会不断出现并发挥重要作用。 前述文章列表 1. Nanofiber-Based Multi-Tubular Conduits with a Honeycomb Structure for Potential Application in Peripheral Nerve Repair. Macromolecular Bioscience., 2018, DOI: 10.1002/mabi.201800090 2. Electrospun Nanofibers: New Concepts, Materials, and Applications. Accounts of Chemical Research., 2017. DOI: 10.1021/acs.accounts.7b00218 3. Robot-Based High-Throughput Engineering of Alcoholic Polymer: Fullerene Nanoparticle Inks for an Eco-Friendly Processing of Organic Solar Cells. ACS Applied Materials & Interfaces., 2018. DOI: 10.1021/acsami.8b03621 4. Shape-Memory Behavior of Polylactide/Silica Ionic Hybrids. Macromolecules., 2017. DOI: 10.1021/acs.macromol.7b001955. Cell-free 3D scaffold with two-stage delivery of miRNA-26a to regenerate critical-sized bone defects. Nature Communications., 2016. DOI: 10.1038/ncomms10376 5. Simple Benchtop Approach to Polymer Brush Nanostructures Using Visible-Light-Mediated Metal-Free Atom Transfer Radical Polymerization. ACS Macro Letters., 2016, DOI: 10.1021/acsmacrolett.6b00004 注：以上仅介绍了几个具有代表性的研究团队，还有很多其他优秀的团队同样有很多优秀的工作，但是由于篇幅的关系，我们在这里就不能一一列举了。
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  • 《苏州纳米所印刷电子团队在高稳定性织物柔性发光显示方向取得研究进展》
    • 来源专题：生物安全知识资源中心—领域情报网
    • 编译者：hujm
    • 发布时间：2023-02-02
    • 　　柔性织物可穿戴电子电路系统是未来人体健康监测的重要基础平台，在疏松多毛、多孔洞、高弹性、易形变服装织物上，不以牺牲元器件的光电性能及面料的质轻、柔软、透气等特性为代价，集成高柔韧度、高机械可靠性的导线及光电学元器件仍是当前面临的行业共性技术难题。 　　在织物面料表面构建电子器件与电路面临如下诸多挑战：第一，如何克服多孔粗糙表面，实现高导电、高精度、耐拉伸电极电路的制备？第二，如何在保证电学功能的前提下最大限度保留织物轻柔透气特性？第三，如何实现电路电子元器件具有与织物共形变的柔韧可拉伸特性，从而实现可水洗、耐揉搓等高耐久性？ 　　针对上述挑战，中国科学院苏州纳米所印刷电子团队近年来在织物基柔性可穿戴电子器件方面取得了一系列进展，发展了基于银纳米线（AgNWs）和金属网格（Metal Mesh）的透明导电薄膜，成功应用于织物基可拉伸光电器件（ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 24074-24085; Adv. Electron. Mater. 2021, 2100611; Flex. Print. Electron. 2022, 7, 034002），并在印刷织物电路及器件方面做了大量工作（J. Mater. Chem. C, 2020, 8, 16798-16807; ACS Appl. Electron. Mater. 2021, 3, 1747-1757; Nano Res. 2022, 15，4590-4598），另外在织物基智能系统方面也进行了系列研究（ACS Appl. Mater. Interfaces 2022, 14, 29144-29155; Nano Res. 2022, DOI: 10.1007/s12274-022-5077-9.） 　　近日，针对印刷墨水中有机溶剂对织物造成破坏和残留问题，中国科学院苏州纳米所印刷电子团队袁伟副研究员等借鉴传统烫印技术，利用激光刻蚀结合热转印开发了一种全固态、可图案化、普适性的织物基交流电致发光器件（ACEL）制备方法。制备的织物发光器件具有优异的机械和耐洗涤性能，器件界面剥离强度高达700N/m，按照标准洗涤流程机洗5次后器件发光均匀性不受影响，亮度仅降低9.7%，在针刺和裁切等物理损伤下仍然保持正常的发光功能。此外，研究者还展示了蓝、绿、黄等多种彩色图案，并且演示了利用家用工具在织物上DIY发光logo的制备流程。最后，将制备的发光器件集成到服装上，实现了动态像素化数字演示。这种普适的织物发光器件加工技术的开发将进一步促进未来可穿戴显示器件的应用。 　在织物上制备ACEL器件的工艺流程如图1（a）所示。从底电极、发光层到透明顶电极，都预先结合激光雕刻技术制备好，具体步骤如下：第一步，在离型膜表面分别刮涂复合导电层和热熔胶层，利用激光雕刻技术进行图案化处理，热转印到织物表面，标记为1号和2号电极，其中1号电极与底电极相连，2号电极与随后的透明顶电极相连；第二步，在离型膜表面刮涂发光层，利用激光雕刻技术进行图案化处理，随后热压在底电极上；第三步，同样利用激光雕刻技术对透明顶电极进行图案化处理，随后热压在发光层上，透明顶电极覆盖整个发光层并与2号电极相连。该器件的工作原理是形成一个电容器结构，上下两层为电极，中间为发光层，顶部的透明电极可允许光输出。如图1（d）所示制备的器件在模拟水洗状态下，依旧具有出色的机械性能。 　　本研究工作的重要亮点之一是引入了蛇形可拉伸金属网格透明电极，该电极在550 nm处其透过率为77.16%，同时方阻低至134.4 mΩ/sq，仅为ITO电极方阻的0.5%。此外，该电极在拉伸100%时电阻变化仅为~10%，在经过长达8000次的弯折循环测试和50次的粘附力测试后，电极的阻抗几乎不变。数据表明制备的透明金属网格电极具有优异的机械稳定性，是织物发光显示器件实现高稳定性的关键。 　　研究还对制备的弹性可拉伸TPU成分与发光及介质材料配比进行了系统评估，结合发光层的力学性能和发光器件的静态数据，得出最优的发光层为TPU：ZnS/Cu：BaTiO3三者的质量比为8：20：4，基于此比例，还系统研究了驱动电压和频率对器件发光亮度和颜色的关系。 　　研究者对器件的发光性能进行了系统全面的表征，包括机械耐久性、高温高湿环境下的稳定性、耐水洗性以及物理损坏，如图4所示，器件在各种拉伸条件下仍保持着稳定的性能；研究还展示了该织物蓝、绿、黄多色发光LOGO器件及其自由可裁剪及抗针刺能力，并实现了织物面料上芯片驱动的智能动态化数字动态显示。该研究成果证明了在织物面料表面构建高机械稳定性和环境适应能力的发光显示器件与电路结构的可行性，为未来柔性织物可穿戴电子系统的发光显示部件提供了一种新的解决方案。 　　相关工作以Thermally Laminated Lighting Textile for Wearable Displays with High Durability为题发表在ACS Applied Materials & Interfaces上。中国科学院苏州纳米所硕士研究生林勇（已毕业，现为南京大学在读博士生）和博士后陈小连为文章共同第一作者，通讯作者为袁伟副研究员和苏文明研究员；本工作还得到了南京大学现代工程与应用科学学院孔德圣教授团队的大力帮助。
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