有機光電子科學與技術最新進展——Science China Chemistry有機光電子學專刊

編輯述評

有機光電子學進展特刊

有機光電子器件由于在有機發光二極管（OLED）、有機太陽能電池（OSCs）、有機場效應晶體管（OFETs）以及化學和生物傳感器領域的特殊應用吸引了從學術界到工業領域的極大關注。在過去的十年中，這一尖端領域已經取得了顯著的進步，這為先進有機電子器件的制造開辟了大量機遇。例如溶液處理的OSCs的功率轉化效率（PCE）已經超過了12%，達到了商業化生產的基本需求。最近，主動矩陣OLEDs已經使用在了智能手機、電視和便攜設備的柔性顯示屏上并實現了商業化。

2016年6月26日至7月1日，有機光電子科學與技術領域歷史最悠久，規模最大的重要的國際學術會議ICSM2016（The 2016 International Conference on the Science and Technology of Synthetic Metals）在廣州舉辦。為了報道該領域重要的研究新進展，《中國科學：化學》編輯部邀請大會秘書、期刊青年編委黃飛教授和大會主席、期刊副主編曹鏞院士作為特約編輯，為Science China Chemistry組織了“Organic Electronics and Photonics”專刊，并于2017年第4期正式出版。以下是本期的全部內容：

黃飛

曹鏞 ?

文獻鏈接：Fei Huang & Yong Cao.?Special issue on recent progress in organic electronics and photonics（Sci. China Chem.，2017，DOI：10.1007/s11426-017-9040-2）

亮點介紹

1. PCE超過12%的有機串聯太陽能電池

與無機太陽能電池相比，有機太陽能電池（OSCs）表現出了如成本低、重量輕以及柔性的優點。事實上，OSCs最吸引人的特點就是其可以大規模的通過卷對卷的印刷方式生產，而不會像無機太陽能電池那樣涉及復雜和高成本的生產程序。OSCs的這一優點在過去二十年間吸引了研究者極大的關注。來自華南理工大學的黃飛教授對近期PCE超過12%的有機串聯太陽能電池進行了簡介。

文獻鏈接：Fei Huang. Organic tandem solar cells with PCE over 12%（Sci. China Chem.，2017，DOI：10.1007/s11426-016-0518-6）

2. 通過結合液晶小分子作為第三組分實現具有厚活性層的高性能三元有機太陽能電池

在過去的二十年間，有機太陽能電池（OSCs）因其具有能夠實現質輕、柔性、低成本器件的特性而吸引了研究者極大的關注。三元OSCs作為提高OSCs的功率轉換效率的有效方式激發了研究者極大的興趣，由此得到了很多高效器件。三元OSCs允許收集被單一活性層中半導體分離的高能和低能光子，同時使熱損失最小化并拓寬器件的吸收范圍，從而提高OSCs的性能。然而，現今報道的三元OSCs中的活性層的厚度僅為100nm，這直接限制了三元OSCs對光的富集能力，造成了其在吸收范圍內無法對入射光進行有效的完全吸收。

來自華盛頓大學的Alex K.-Y. Jen對厚活性層的高性能三元有機太陽能電池進行了介紹。

文獻鏈接：Alex K.-Y. Jen.?Realizing high-performance ternary organic solar cell with thick?active layer via incorporating a liquid crystalline small molecule?as a third component（Sci. China Chem.，2017，DOI：10.1007/s11426-017-9015-8）

短綜述

有機晶體管在生物電子學中的應用

有機場效應晶體管（OFETs）由于具有杰出的生物相容性、固有的柔性和其溶液可處理性所帶來的潛在的低成本而成為了最近在生物電子領域飽受關注的候選者。在過去的幾年中，生物電子應用驅動的OFETs已經吸引了對于下一代生物傳感器、保健元素及人工神經界面的持續關注。

來自中科院化學研究所的狄重安研究員和朱道本研究員（共同通訊）等在本篇短綜述中重點介紹了OFET基生物電子器件的基本原理和最近進展，同時總結了這一研究領域的關鍵策略和前景展望。

文獻鏈接：Hongguang Shen, Chong-An Di & Daoben Zhu. Organic transistor for bioelectronic applications（Sci. China Chem.，2017，DOI：10.1007/s11426-016-9014-9）

綜述

1. 共軛聚合物中包含B←N單元作為電子受體的全聚合物太陽能電池

聚合物電子受體是全聚合物太陽能電池（all-PSCs）中的關鍵材料。來自中科院長春應用化學研究所的劉俊研究員和竇傳冬副研究員（共同通訊）等在綜述中主要介紹了硼-氮配位鍵的原理，同時總結了包含B←N單元作為電子受體的全聚合物太陽能電池器件的最新進展。在設計聚合物電子受體時主要有兩種方法：一是通過共軛聚合物中的B←N單元代替C-C單元將電子供體轉變為電子受體；另一種方法就是構筑基于B←N單元的新穎缺電子單元作為電子受體。包含B←N單元的聚合物電子受體表現出了可調的最低占用分子軌道（LUMO）能級，同時展現出了超過6%的功率轉換。這表明有機硼化學是發展光電器件領域內功能聚合物材料的新方法。

文獻鏈接：Chuandong Dou, Jun Liu & Lixiang Wang. Conjugated polymers containing B←N unit as electron acceptors?for all-polymer solar cells（Sci. China Chem.，2017，DOI：10.1007/s11426-016-0503-x）

2. 串聯有機太陽能電池中互連層的研究進展

有機太陽能電池（OSCs）作為可再生太陽能技術有望取代化石燃料作為人類的長期能源。基于材料本身低成本的液相處理、柔性以及在較低材料成本中的潛力，因為其不斷提高的功率轉換效率（PCE）和長期穩定性，所以OSCs的未來遠比無機太陽能電池重要。增強OSCs的PCE的關鍵就是減少其能量損耗機理。

來自香港大學的Wallace C.H. Choy教授（通訊作者）等在綜述中主要對兩方面進行了綜述：（1）相比單一OSCs，串聯有機太陽能電池（OSCs）的獨特優點；（2）發展用于串聯OSCs的合格互聯層的挑戰和策略。

文獻鏈接：Shunmian Lu, Dan Ouyang & Wallace C.H. Choy. Recent progress of interconnecting layer for tandem organic?solar cells（Sci. China Chem.，2017，DOI：10.1007/s11426-016-9008-1）

3. 有機半導體中作為空穴輸運材料的過渡金屬氧化物及基于太陽能電池的混合鈣鈦礦材料

有機聚合物太陽能電池（OSCs）和無機-有機混合鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）已經在過去幾年中取得了顯著進步。此領域內的中心議題就是探索具有電子高效、穩定并具有高效空穴輸運層（HTL）的材料。這會增強空穴的收集能力、減少電荷復合、增加內建電壓并能同時提高器件性能和穩定性。過渡金屬氧化物（TMOs）半導體已經廣泛使用在了OSCs中的HTLs中。

來自香港理工大學的李剛教授（通訊作者）等對有機半導體中作為空穴輸運材料的過渡金屬氧化物及基于太陽能電池的混合鈣鈦礦材料進行了詳細的總結。

文獻鏈接：Pingli Qin, Qin He, Dan Ouyang, Guojia Fang, Wallace C.H. Choy & Gang Li. Transition metal oxides as hole-transporting materials in organic?semiconductor and hybrid perovskite based solar cells（Sci. China Chem.，2017，DOI：10.1007/s11426-016-9023-5）

文章

1. 結合共軛聚合物電解液并基于C₆₀單晶的場效應晶體管及其增強的性能

金屬電極和半導體間的接觸電阻極大限制了有機場效應晶體管的性能，并直接導致了在界面處明顯的電壓降低。來自浙江大學的李寒瑩教授和華南理工大學的黃飛教授（共同通訊）等人證明了通過引入共軛聚合物電解質夾層，基于液相C₆₀單晶帶的n-溝道場效應晶體管具有增強的性能。這一共軛聚合物夾層極大地提高了電荷注入。因此，電子遷移率增高至5.60 cm² V^?1 s^?1，同時閾值電壓極劇減小，最低達到4.90V。

文獻鏈接：Qinfen Li, Jiake Wu, Ruihan Wu, Yujing Liu, Hongzheng Chen, Fei Huang & Hanying Li.?Enhanced performance of field-effect transistors based on C₆₀ single?crystals with conjugated polyelectrolyte（Sci. China Chem.，2017，DOI：10.1007/s11426-016-9018-y）

2. 凍結平面高分子發光電化學電池的高分辨掃描光學成像：實驗及模型研究

發光電化學電池（LECs）是一種混合電子和離子導體的有機光學器件。聚合物基的LEC活性層包含發光聚合物、離子溶劑化/輸運聚合物和與之匹配的鹽類。LEC中的p-n或p-i-n結最終決定了LEC的性能。由于表征LEC動態結的困難，因此對于LEC結還知之甚少。來自加拿大女王大學的Gao Jun（通訊作者）等利用掃描光學成像技術對LEC結進行了實驗和建模研究。

文獻鏈接：Faleh AlTal & Jun Gao. High resolution scanning optical imaging of a frozen planar?polymer light-emitting electrochemical cell: an experimental and?modelling study（Sci. China Chem.，2017，DOI：10.1007/s11426-016-9005-1）

3. 新型雙極主體材料在高效綠、黃、橙、紅和深紅磷光有機發光器件中的應用

來自電子科技大學的鄭才俊教授和香港城市大學的Lee?Chun-Sing教授（共同通訊）等人研究了由合并三苯胺構筑的新型雙極主體材料TPMTPA，其可以作為電子施主核，而嘧啶可以作為電子受體邊緣。TPMTPA達到了出色的雙極電荷輸運特性并具有足夠高的三線態能級，使其對綠、黃、橙、紅和深紅熒光粉極為敏感。利用TPMTPA作為主體材料，高性能綠、黃、橙、紅和深紅磷光有機發光器件的最大外量子效率分別為20.4%、17.6%、15.1%、15.3%和15.7%。結果表明，TPMTPA可以作為不同發色PhOLEDs的通用高性能主體材料。

文獻鏈接：Cai-Jun Zheng, Chuan-Lin Liu, Kai Wang, Si-Lu Tao, Hui Lin & Chun-Sing Lee. Novel bipolar host for highly efficient green, yellow, orange, red and?deep-red phosphorescent organic light-emitting devices（Sci. China Chem.，2017，DOI：10.1007/s11426-017-9021-x）

4. 基于S···S相互作用且具有雙熔四硫富瓦烯化合物π-π堆疊的電荷輸運特性

有機半導體中具有短π-π堆疊的緊湊分子排列和較大的π重疊對于高效的電荷輸運和較大的載流子遷移率是十分合適的。因此，沿著不同方向的電荷傳輸的各向異性在有機半導體中十分常見。

來自中科院化學所的胡文平研究員和董煥麗副研究員以及山東大學的方奇教授（共同通訊）等人發現基于一種EM-TTP化合物晶體的電荷輸運特性可以沿著兩個互相作用的方向得到，即多重增強的S···S分子間相互作用和π-π堆疊方向，其電導率和空穴遷移率分別為0.4 S cm^?1、0.94 cm² V^?1 s^?1 以及 0.2 S cm^?1、0.65 cm² V^?1 s^?1。這為發展通過增強的分子間相互作用和π-π堆疊的協同作用而具有各向異性電荷輸運特性的新型有機半導體提供了新的分子設計思路。

文獻鏈接：Ke Zhou, Hongfeng Chen, Huanli Dong, Qi Fang & Wenping Hu. Comparable charge transport property based on S···S interactions?with that of π-π stacking in a bis-fused tetrathiafulvalene compound（Sci. China Chem.，2017，DOI：10.1007/s11426-016-9011-9）

5. 利用流動催化劑制備水平排列的單壁碳納米管

來自北京大學的李彥教授（通訊作者）等人近日發現了一種在中等溫度(小于或等于600 °C) 條件下制備水平排列的單壁碳納米管（SWNTs）的方法。利用二茂鐵作為催化劑前驅體，Fe的納米顆粒會形成氣相，并催化SWNTs的原位成核和生長。這些SWNTs會沉積在氣流下方的襯底上，并隨著ST-cut單晶石英的表面晶格而排列。在較溫和條件下制備SWNT陣列對于在器件制作的過程中結合管的生長是十分重要的。

文獻鏈接：Rongli Cui, Xiulan Zhao, Ruoming Li, Yu Liu, Da Luo, Feng Yang & Yan Li.?Preparation of horizontally aligned single-walled carbon nanotubes with floating catalyst（Sci. China Chem.，2017，DOI：10.1007/s11426-017-9012-y）

6. 可見光下具有增強光催化效率的花狀Au/Ag/TiO₂納米復合物

來自南洋理工大學的徐清華教授（通訊作者）等人將TiF₄置于酸性環境中，在較溫和的條件下得到了形貌一致的花狀TiO₂附著的Au納米星以及具有不同Ag包覆量的Au@Ag納米星核-殼結構。這些花狀納米復合物在可見光照射下的光催化能力相比于商業P25 TiO₂納米顆粒提高了4.7倍。其增強的光催化能力來源于光吸收率的提高以及從光激發Au@Ag核到TiO₂殼的熱電子注入。

文獻鏈接：Fei Han, Xin Mao & Qing-Hua Xu.?Flower-like Au/Ag/TiO₂ nanocomposites with enhanced?photocatalytic efficiency under visible light irradiation（Sci. China Chem.，2017，DOI：10.1007/s11426-016-9027-6）

7. 具有硅氧烷終止混合側鏈的半結晶光伏聚合物

來自韓國蔚山科學技術大學校的Jin Young Kim和高麗大學的Han Young Woo（共同通訊）等人通過結合硅氧烷終止的有機/無機混合側鏈并同時改變氟取代基的數量制備出了三種半結晶光伏聚合物。這些聚合物形成了強烈團聚并具有較高粗糙度的薄膜，這說明了其較強的分子間相互作用。由于緊密的π-π堆疊，因此聚合物都具有明顯的肩峰，其光學帶隙為1.7eV。與PC₇₁BM混合后，三種聚合物器件的功率轉化效率分別為3.16%、4.40%和5.65%。

文獻鏈接：Yuxiang Li, Seyeong Song, Song Yi Park, Jin Young Kim & Han Young Woo. Semi-crystalline photovoltaic polymers with siloxane-terminated?hybrid side-chains（Sci. China Chem.，2017，DOI：10.1007/s11426-016-0520-6）

8. 基于bi(alkylthio-thienyl)benzodithiophene和fluorobenzotriazole的D-A共聚物光伏性能中的呋喃π橋效應

來自中科院化學所的李永舫院士和張志國副研究員（共同通訊）等人利用bi(alkylthio-thienyl)benzodithiophene作為供體單元，fluorobenzotriazole作為受體單元和作為π橋的噻吩得到了具有中等帶隙的供體-受體（D-A）共聚物J61。其作為供體，在具有較窄帶隙的n型有機半導體ITIC作為受體的非富勒烯聚合物太陽能電池（PSCs）中表現出了出色的光伏性能。

文獻鏈接：Tinghai Yan, Haijun Bin, Yankang Yang, Lingwei Xue,?Zhi-Guo Zhang & Yongfang Li.?Effect of furan π-bridge on the photovoltaic performance of D-A?copolymers based on bi(alkylthio-thienyl)benzodithiophene and?fluorobenzotriazole（Sci. China Chem.，2017，DOI：10.1007/s11426-017-9030-9）

9. 能夠增強溫度依賴的聚集、良好的混合形貌和高效聚合物太陽能電池性能的最佳氟化度

溫度依賴的聚集是一些供體聚合物實現最佳體異質結（BHJ）形貌和高效聚合物太陽能電池的主要特性。來自西安交通大學的馬偉教授和華南理工大學的顏河教授（共同通訊）等人證明了在聚合物主干上的最佳氟化度是第二必要的結構特征，這能夠增強溫度依賴的聚集特性。本文為發展具有合適溫度依賴聚集特性的供體聚合物及其高性能提供了另一種關鍵的理性設計思路。

文獻鏈接：Guofang Yang, Zhengke Li, Kui Jiang, Jie Zhang, Jianya Chen1, Guangye Zhang,?Fei Huang, Wei Ma & He Yan.?Optimal extent of fluorination enabling strong?temperature-dependent aggregation, favorable blend?morphology and high-efficiency polymer solar cells（Sci. China Chem.，2017，DOI：10.1007/s11426-016-0378-y）

10. 基于小分子的DTBDT系列在高效有機太陽能電池中的應用

來自南開大學的陳永勝教授和張洪濤講師（共同通訊）等人利用三種受體-供體-受體（A-D-A）小分子DCAODTBDT、DRDTBDT和DTBDTBDT，并結合其他有機物質分別作為中心構筑單元和終端基團設計并合成了在液相處理光伏電池（OPVs）中的供體材料。實驗結果表明，基于DRDTBDT的OPVs的功率轉化效率（PCE）為8.34%，遠高于DCAODTBDT（4.83%）和DTBDTBDT（3.39%）。

文獻鏈接：Huanran Feng, Miaomiao Li, Wang Ni, Bin Kan, Yunchuang Wang, Yamin Zhang,?Hongtao Zhang, Xiangjian Wan & Yongsheng Chen.?A series of dithienobenzodithiophene based small molecules for?highly efficient organic solar cells（Sci. China Chem.，2017，DOI：10.1007/s11426-016-0461-1）

11. 基于芘和吡咯并吡咯二酮的A-D-A小分子供體在有機太陽能電池中的應用

來自浙江大學的李昌治教授、Alex K.-Y. Jen教授和陳紅征教授（共同通訊）等人通過耦合富電子芘核和缺電子DPP終端設計合成了三種新型的供體小分子（SMs）：Pyr(EH-DPP)₂、Pyr(HD-DPP)₂ 和PyrA(EH-DPP)₂，用其得到的有機太陽能電池（OSCs）表顯出了結構-性能間的有趣關聯。具有DPP的多環芳烴結合A-D-A將會成為發展光伏半導體骨架極具希望的候選。

文獻鏈接：Jing-Qi Xu, Wenqing Liu, Shi-Yong Liu, Jun Ling, Jiangquan Mai, Xinhui Lu,Chang-Zhi Li, Alex K.-Y. Jen & Hongzheng Chen. A-D-A small molecule donors based on pyrene and?diketopyrrolopyrrole for organic solar cells（Sci. China Chem.，2017，DOI：10.1007/s11426-016-9003-9）

期刊介紹

Science China Chemistry（《中國科學：化學》）是 Science China（《中國科學》）系列期刊之一，是中國科學院與國家自然科學基金委員會共同主辦的學術期刊，主要報道化學科學及其交叉領域的基礎和應用研究方面的創新性成果，月刊。發表的文章類型有：Highlights(亮點介紹)，Perspectives(展望)，Mini Reviews(小綜述)， Reviews(綜述)，Feature Articles(專題論述)，Articles(論文)，Communications(通訊)。

本文由本文Science China Chemistry投稿，材料牛編輯整理。材料牛網專注于跟蹤材料領域科技及行業進展，如果您對于跟蹤材料領域科技進展，解讀高水平文章或是評述行業有興趣，點我加入編輯部。

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