南开化学：能源转化与存储的有机和碳纳米材料研究成果

清洁能源高效转化与储存是当前和未来社会与经济持续发展的关键。作为一种新型技术，有机太阳能电池是实现上述目标的有效方案之一。同时，在电能应用过程中迫切需要各种安全先进的高容量、高功率、高效率的能源转化存储材料和器件。但是，现有的能量转化与存储器件存在材料效率低、机理不清、结构性能关系不明等科学问题。新型高效材料的设计与性能调控是解决上述问题的核心和基础。

有机太阳能电池具有柔性、质轻、半透明、可大面积低成本印刷制备、环境友好等优点，被认为是具有重大产业前景的新一代绿色能源技术。如果能利用地球及未来最丰富的元素之一——碳及碳基材料为基本原料实现高效低成本的绿色能源技术，将对解决目前人类面临的重大能源问题具有重大意义。早期的有机太阳能电池研究主要集中在聚合物给体材料的设计合成，随着有机太阳能电池的飞速发展以及器件工艺对材料的更高要求，具有确定化学结构的可溶液处理寡聚小分子材料开始引起人们的强烈关注。其中最重要的原因是这类材料具有结构确定、易提纯、光伏器件结果重现性好的特点。早期大多数小分子溶液处理成膜性不好，因此主要采用蒸镀的方法制备器件，使其应用前景受到很大限制。如何设计合成获得具有良好性能并有确定分子结构的光伏活性层材料是长期困扰各国研究者的关键难题。

2004年，陈永胜教授到南开大学任教，建立功能高分子及碳纳米材料研究团队。近年来，陈永胜教授带领团队围绕太阳能-电能-化学能转化与存储领域的关键科学问题，以突破太阳能/电能转化和能量存储效率为目标，设计并发展了一系列具有独特“受体-给体-受体”（A-D-A）结构与性质的新型高效有机太阳能电池材料和三维石墨烯体相材料及其复合能源材料，构建了多个系列的高效有机太阳能电池及能量存储与转化器件，取得了系列优秀研究成果，有力推动了该领域的发展与进步。

“当时整个有机太阳能电池研究领域处于低谷，光电转化效率在5%左右。许多研究者对有机太阳能电池的未来发展不抱信心。而作为最重要的碳纳米材料——石墨烯的研究，当时在国内还是空白。”陈永胜介绍，2004年前后，国内外从事有机太阳能电池领域研究的团队几乎全部集中在传统聚合物活性材料上，如果进行这方面的研究风险会很小，但难以形成特色和实现重大突破。另外，国内石墨烯的研究尚未开展。

据此，围绕高性能能源转化和储存有机与碳纳米功能材料，陈永胜教授提出了具有“受体-给体-受体”（A-D-A）构架及确定分子结构的可溶液处理高效有机寡聚物光伏材料设计理念；设计合成了一系列具有确定分子结构和精确分子量的高效有机寡聚物光伏材料，通过分子中各单元结构的调节，实现了对光谱吸收、能级、相分离、电荷分离传输、能级匹配和成膜性等的有效调控，并克服了聚合物分子量多分散性带来的器件性能重现性问题及传统小分子难于溶液加工的缺点；多次刷新了该领域的光电转化效率世界纪录，研究结果发表在Science、Nature Photon.、Chem.Soc.Rev.、J.Am.Chem.Soc.和Adv.Mater.等期刊。2018年，陈永胜教授团队设计制备的具有高效、宽光谱吸收特性的叠层有机太阳能电池材料和器件，实现了17.3%的光电转化效率，再次刷新了文献报道的有机/高分子太阳能电池光电转化效率的世界纪录，相关成果发表于国际顶级学术期刊Science上。“这一研究结果缩小了有机太阳能电池与其他光伏技术效率之间的差距，提升了人们对有机太阳能电池的信心。它同时表明：有机太阳能电池可以实现和无机材料同样的效率。”陈永胜教授说。

石墨烯领域研究和应用面临的关键科学问题之一是如何在维持石墨烯二维本征结构和性质的前提下获得其宏观的体相（monolithic）材料。陈永胜教授提出了“三维交联石墨烯”高分子体相材料的设计理念，利用二维石墨烯边界基团的交联反应，实现了二维石墨烯单元的直接三维交联，获得了既保持石墨烯本征结构又同时具有多种宏观优良性能（光、电、机械等）的三维交联石墨烯高分子体相材料，并将其应用于能源储存和转化等器件。相关研究成果发表在Nature Photon.、Sci.Adv.和Nat.Commun.等期刊。(www.xing528.com)

迄今，陈永胜教授已在Science、Nature、Nature Photon.、J.Am.Chem.Soc.和Adv.Mater.等国际著名学术期刊上发表研究论文300余篇，总引用5万余次，获得发明专利授权30余项；连续7年（2014—2020）入选汤森路透/科睿唯安全球高被引科学家；2018年荣获国家自然科学二等奖。

近年来，陈永胜研究团队围绕该课题方向持续展开科技攻关，最近团队在柔性透明电极与柔性有机太阳能电池领域研究中获突破性进展。他们发展了一种可以规模制备的同时具有高透光、高导电性且表面平滑的银纳米线柔性透明电极，并将其用来构筑柔性有机太阳能电池，获得与商业的氧化铟锡（ITO）玻璃电极相当的器件性能，光电转化效率可达16.5%，刷新了柔性有机/高分子太阳能电池光电转化效率记录。这一成果使得高效柔性有机太阳能电池距离实现产业化更近一步。该研究成果发表于国际顶级学术期刊Nature Electronics上。

有较大可逆形变功能的弹性材料在各种工程应用中具有广泛需求。然而，当温度显著降低时，材料延展性或弹性通常会受到损害。到目前为止，还没有材料能够实现在外太空等深低温下具有高弹性。陈永胜教授团队最近报道了一种三维交联的石墨烯材料，在4 K的深低温到1273 K的高温温度区间材料超弹性行为几乎不变。在4K超低温条件下，具有与室温相同的力学性能：几乎完全可逆的超弹性行为（高达90%的应变），杨氏模量不变，泊松比接近零，循环稳定性好。原位实验和模拟结果表明，这种超弹性得益于独特结构的协同结果：单个石墨烯片层的本征弹性和片层之间的共价连接。这种新型“太空海绵”在极端条件下的生产与实验、航天装备制造等领域具有良好的应用前景。该成果发表于国际顶级学术期刊Science Advances上。

上述工作为高效新型能源材料的设计开发与应用研究提供了重要科学依据和新的方向。