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476 Y系列受體大突破

更新時間:2021-04-25  作者:肥美的韭菜
許秋繼續閱讀魏興思發來的文獻。

第三篇一區文章來自國家納米科學技術中心的李丹,他們課題組又發了一篇Sci.

Bull.,同樣是只有一張圖片的“短通訊”文章。

說起來,Sci.

Bull.這個期刊還是許秋告訴魏興思的,之前并不在魏老師的期刊檢索庫當中。

另外,這個期刊的名稱,如果縮寫成兩個字母的話,可以和《自然·通訊》的縮寫NC一決高下了……

李丹課題組報道了一種名為S1的三元共軛共聚物給體材料。

這種材料的分子結構是在PBDBT基準給體的基礎上進行改性而來,PBDBT是DA二元共聚物,D單元是BDT,A單元是BDD。

而S1的話,額外引入了第二種A單元,即用氟原子和乙酸乙酯取代的噻吩單元,這種連接有兩個吸電子基團的噻吩單元,可以降低給體材料的HOMO能級。

通過改變三元共軛共聚物分子中兩種A單元的比例,可以實現對給體材料能級結構的精細調控。

結果表明,引入10摩爾分數的第二種A單元,得到的給體材料的器件性能最佳。

此時,S1材料與他們之前開發出來的COi8DFIC受體結合,制備得到的電池器件,最高效率可以達到13.36。

這是到目前為止報道的二元單結有機光伏器件中,效率最接近許秋《自然·能源》文章的一個體系。

于是,許秋也把S1材料列入到自己的給體材料庫之中。

其實,許秋對李丹課題組的印象還是比較深刻的。

對方發表的文章基本都在Sci.

Bull.上,大多是篇幅很短的“短通訊”文章,而且還都是效率比較高的體系。

另外,許秋之前在有機光伏領域中并沒有聽說過李丹這一號人,他推測可能對方是從其他光伏領域轉行過來的,然后剛好抓住了非富勒烯的風口,直接起飛。

當然,也有可能是因為對方投的期刊都比較“偏”,不在魏興思的期刊庫中,也就無法被許秋看到。

第四篇工作,是來自馬薇薇課題組的一篇AM文章。

她們做的是基于ITIC的聚合物受體材料,主要的思路就是許秋之前在《焦耳》綜述,以及交流大會時告知她們的想法。

不過,她們報道的器件性能并不高,效率剛剛突破10。

或許是她們器件優化的不太行,許秋在模擬實驗室這邊同樣體系的結果,效率可以做到11以上。

這個工作能夠發表在AM上,一方面可能她們是運氣比較好,另一方面可能也是因為這個工作的新意比較高,畢竟算是開創了一個小小的細分領域。

另外,或許也與這篇文章掛了許秋、魏興思的名字有關。

這篇AM文章一共四位作者,馬薇薇是四作加通訊,她的碩士生是一作,許秋是二作,魏興思是三作。

其中,許秋沒有參與到這個工作具體的實驗中,只是在對方投稿前幫忙改了改。

不過,實驗想法算是許秋提出來的,他掛個二作也并不過分。

而且,這也是科研圈的游戲規則,花花轎子眾人抬嘛。

像學術大佬,動輒上百篇文章,近千篇的文章,很多都是掛名掛上去的,光靠自己一個課題組,是很難發這么多文章的。

就算是大課題組,一年能穩定發20篇大大小小的文章,已經算非常難得了。

大多數情況,都是大佬主動或被動與其他人合作,大佬提個想法,掛個名,其他人幫忙實現這個想法,最終實現雙贏。

第五篇工作,來自港大的嚴虎,他們發了一篇AM的子刊AEM。

嚴虎課題組基于PCE11給體的衍生物,合成了一種類似于許秋之前做的PBT3T給體分子,將其命名為PffBXT3。

之后,他們將PffBXT3給體材料與ITIC2受體材料結合,制備有機光伏器件,效率可達11.3。

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這個工作沒太大的亮點,就是基于給體材料的改性,因此只發表在了AEM上。

現在有機光伏領域的門檻已經被許秋拉的非常高了。

本來之前8的效率還能夠得上二區、弱一區,現在如果新意不足,就要10的效率才能上的了弱一區,11的效率也只能發表AM的子刊。

當然,這是對于純拼效率工作的標準。

如果有其他亮點的話,比如馬薇薇那篇,雖然效率差一些,但也可以上AM。

第六篇工作,中科院化學所的盧長軍課題組發表了一篇JACS。

他們報道了一種有機光伏疊層器件,效率可達13.8。

用的材料大多都是老材料,底電池是PBDBT:ITCCM,頂電池是PCE10:IEICO,傳輸層材料使用了氧化鋅、PEDOT:PSS、PCPNa、PFNBr。

之前漂亮國Forrest課題組也發表了一篇有機光伏領域疊層器件,不過是在《自然·光電》上,效率可以達到14以上。

其實,單論這兩篇疊層器件文章的水平,盧長軍課題組這篇JACS和之前Forrest課題組的《自然·光電》差距并不大。

但盧長軍他們卻只發表了一篇JACS,還是有些可惜的。

可能有多方面的原因,比如盧長軍他們出手速度有些慢,投稿時間晚于漂亮國Forrest課題組;效率也沒有突破,13.8的數值略低于Forrest課題組的14;再加上盧長軍在有機光伏領域的影響力也不如Forrest。

綜合下來就只發表了一篇JACS。

另外,可能也是因為JACS這樣的一區頂刊,與《自然·光電》這種《自然》大子刊之間沒有什么過渡的期刊。

如果沖不上《自然》大子刊,那就只能掉回JACS、AM、NC、EES……。

也因此,一些課題組如果覺得自己沖不上去,就不會去投《自然》大子刊,因為《自然》大子刊審稿比較慢,太過于浪費時間。

第七篇工作,泡菜國Choi課題組發表了一篇ACSEL。

他們合成了一種名為3MTTh的給體材料,這種二元DA共聚物給體材料的分子結構非常的簡單,D單元是BDT,A單元是單乙酸乙酯取代的噻吩,合成起來較為容易,成本可能也比較低。

他們將3MTTh給體和IDIC受體材料結合,并用非鹵溶劑甲苯進行器件加工,效率最高可達10。

總的來說,這種3MTTh材料的設計思路和許秋之前交給學妹的PTQ系列材料有些相似。

主要也是突出“合成簡單、節省成本”的亮點,另外這個工作還捎帶了“非鹵溶劑”的概念。

受這篇文章的啟發,許秋打算之后也讓學妹試一試非鹵溶劑,雖然器件效率不一定能夠提升,但也算是一個白撿來的亮點,不用白不用。

看到這里,許秋發現最新報道出來的文章,大多數都是基于給體材料的合成與開發。

他推測可能是因為自己做的受體材料太多了,把其他人能走的路都給走的差不多了,導致其他人紛紛選擇了給體材料的道路。

當然,也有可能因為很多課題組的優勢方向就是給體方向。

畢竟,之前富勒烯體系統治下的時代,基于受體材料的開發吃力不討好,使得大多數研究者從事的都是給體材料的開發。

另外,從功利性的角度上來講,現在許秋已經把受體材料開發的非常完備了。

而給體材料卻相對匱乏,機會非常的多。

只要順便合成出來一種差不多的給體材料,和買來的ITIC等基準受體材料混一混,拿到一個10的效率并不算難。

一旦效率可以達到10,基本上就可以發一篇弱一區,甚至一區的文章。

這種檔次的文章,哪怕是對于正教授來說,都是非常有吸引力的。

同時,許秋還發現國內同行們的科研嗅覺,以及反應速度也是比較快的。

放眼望去,有機光伏領域的半壁以上江山都被國內的研究者給占據了。

當然,這可能也和漂亮國縮減了有機光伏領域的研究經費有關。

包括魏興思從漂亮國回國,其實也是受到了漂亮國政策這方面的影響,他原先在NREL課題組的運轉出現了一些問題。

一區文章一共就只有這七篇,剩下的都是一些弱一區或二區的小文章了。

現在許秋看這些弱一區或二區的小文章,只要不是純機理相關的文獻,大多數文章都只需要不到一分鐘的時間,就可以閱讀完畢。

只要看看標題、摘要、再掃一眼圖表,基本上就能知道對方做了一個什么樣的工作。

來來回回就那么一些東西:基于給體的改性、受體的改性、傳輸層的改性,或者是玩其他一些概念。

看起來是有一些水,但許秋作為一個從業者,也知道這其實是沒辦法的事情。

在現階段,有機光伏領域確實沒有太多新的東西可以挖掘。

說白了,有機光伏領域現在還處于發展階段,只能單純的比拼效率,效率高的去頂刊,效率低又沒有太大的亮點就去差一些的期刊。

只有把效率沖到一定程度,才能夠去考慮更加深遠的問題。

就好比,人吃飽了才會去追求精神方面的滿足一樣。

現在有機光伏領域還是處于餓肚子的狀態,如果效率一直無法突破,最終的結果就是走向消亡,也就是餓死了。

只有吃飽了,比如效率突破18、20,可以和鈣鈦礦、硅基太陽能電池掰掰手腕了,這時候才能去考慮建立理論模型,解決工業化中可能遇到的各種問題。

這是一個循序漸進的過程。

想要一蹴而就,一下子突然就取得突破,這是幾乎不可能實現的事情。

不止有機光伏領域是這樣的,現今其他的科研領域也都是一樣的,即使是熱門的科研領域。

因為科技發展到現在,容易取得突破的領域基本上早就已經突破了,剩下的大多都是難啃的骨頭。

有人說:“鈣鈦礦和石墨烯,兩大領域養活了很多科研人”,“鳥屎摻雜石墨烯都能讓它的性能變好”。

言下之意就是說:“這兩個領域很容易水文章,也水了很多文章”。

他們說的確實有一定的道理。

可以看到的事實是,每年這兩個領域都有很多CNS文章發表,AM、JACS之類的一區頂刊更是不計其數。

比如,曹某到現在研究石墨烯,已經發表了7篇《自然》。

但目前不論是鈣鈦礦還是石墨烯,卻都還是停留在實驗室階段,無法實現產業化。

從這種意義上來說,確實是挺水的。

發了這么多頂刊,占用了這么多科研資源,卻沒有絲毫的實際產出。

但反過來想,如果人們都不去水文章,那這兩個非常有潛力的領域也就無從發展。

“水”的背后,其實是科技大爆炸的時代已經過去,人類文明的科技進展陷入了停滯,或者說低速發展的境地。

原先需要100點數就可以點亮的科技樹,現在可能需要100W點數才能點亮。

在這種情況下,即使科研從業人員的總能力值隨著文明的發展,有所提高,比如提高了100倍,但點亮科技樹消耗的時間卻還是原來的100倍。

換言之,“水”只是發展緩慢的一個外在表現。

其實,換位思考一下也能知道,不論是國內,還是國際上,站在頭部的科學家們,大概率還是對科研有所追求的,如果真的有能力取得關鍵性的突破,誰又會想去水文章呢。

看完魏老師發過來的文獻,許秋又去wos網站上查了一下自己的幾篇工作,現在已經到了2月份,應該會更新一次文章的信息。

結果發現,PCE11給體的AM文章,也就是許秋第一篇大滿貫的文章,現在已經失去了熱點文章的小火苗標識,不過仍舊保留了高被引的小皇冠。

這也很正常,畢竟PCE11材料的結晶性太強,和富勒烯受體適配度還可以,但和大多數非富勒烯體系的適配度不高。

而現在時代已經改變了,富勒烯對有機光伏領域長達近20年的統治已經結束,PCE11也就成為了“時代的眼淚”。

ITIC受體的AM文章,熱點文章和高被引的標識均存在,而且被引用次數已經成功突破100次,達到了168次,被引用次數增長的非常快。

這主要是因為近期非富勒烯相關的文章呈現井噴態勢,光SCI一二區的文章,在這一個月里就有近30篇被發表出來,如果算上魏興思沒有檢索到的SCI三四區文章,這個數量只會更高,可能會超過50篇。

而現在發表的有機光伏領域文章,大多數都和ITIC相關,因此基本都會去引用許秋最早發表的ITIC文章。

另外,ITIC相關的《焦耳》綜述,以及IDIC4F受體的《自然·能源》的文章,均被評為熱點文章和高被引文章,獲得了小火苗和小皇冠標識。

同時,這兩篇文章的實時被引用次數也均超過了兩位數,增長速度同樣非常的快。

這都是意料之中的事情,現在許秋和魏興思已經成為了有機光伏領域的領軍人物,發表出去的文章被其他課題組關注并引用的可能性非常高。

就算其他作者只從功利性的角度來考慮,如果發文章不去引用許秋文章的話,萬一文章審稿的時候被發到了魏興思這邊,那不就尷尬了……

畢竟,不同審稿人的意見,在期刊編輯那邊也是不同的,像是現在的魏興思課題組審有機光伏領域的稿件,如果給出一個拒稿意見,基本上這篇文章就涼涼了。

把幾個新出來的小火苗和小皇冠截圖保存下來之后,許秋關閉了wos的網頁。

幾天后,模擬實驗室中傳來了一個非常大的好消息。

那就是經過一系列的側鏈調控,最終誕生了三個效率突破17的二元單結體系。

對應的受體材料名稱分別為Y15、Y18和Y20,它們與J4給體材料結合制備出來的器件,最高效率分別可達17.17、17.02和17.40!

最佳體系J4:Y20的效率,甚至反超了之前《科學》文章中疊層器件的最高效率17.36!

具體來說,Y15、Y18、Y20都是對Y14進行側鏈調控而得到的材料。

在初始Y14材料中,TT單元上的側鏈為直鏈的十一烷基(C11),也就是十一個碳原子的直鏈飽和烷烴,氮原子上的側鏈為2乙基己基(EH),也就是8個碳原子的支鏈狀飽和烷烴。

首先,Y15材料。

它相比于Y14材料,僅更改了TT單元上的側鏈,變更為直鏈的壬基(C9),也就是九個碳原子的飽和烷烴,氮原子上的側鏈保持EH不變。

Y15體系器件性能獲得小幅度的提升,許秋簡單分析后,將其歸因于“縮短側鏈讓受體分子堆砌更加容易實現,進而提升材料的電荷遷移率”。

當然,實際上影響的因素是比較復雜的,這是一個多因素共同影響下的平衡結果。

比如,許秋還合成了Y16材料,它相比于Y15材料,進一步縮減TT單元上的側鏈,變更為直鏈的庚基(C7),也就是七個碳原子的飽和烷烴,氮原子上的側鏈保持EH不變。

Y16與J4材料共混后的器件性能,只有12.68。

相較于Y14體系16的效率,和Y15體系17的效率,Y16體系效率下降幅度非常大。

Y16性能縮水的原因,一方面可能是側鏈太短,導致材料的溶解性難以保證,比如Y14和Y15在常溫條件下,可以配制15毫克每毫升的氯苯溶液,而Y16需要加熱到80攝氏度以上,才能配制出同樣濃度的溶液;

另一方面,可能也是側鏈太短,導致分子堆砌的太過容易,GIWAXS結果中,Y16材料的結晶信號明顯強于Y14和Y15,這就使得Y16材料的結晶性太強,難以與J4給體材料實現有效的共混,共混形貌較差。

其次,Y18材料。

它相比于Y14材料,僅更改了氮原子上的側鏈,將其變更為了2丁基辛基(BO),也就是12個碳原子的支鏈狀飽和烷烴,TT單元上的側鏈保持C11不變。

DFT模擬分析結果表明,Y14材料的分子骨架具有15度的扭轉角,共平面性較差,而Y18材料分子骨架的扭轉角只有5度。

因而,許秋將Y18材料性能的提升歸因于“Y14材料TT單元上的EH側鏈空間位阻比較大,使得Y14分子骨架共平面性較差,影響其電荷輸運性能”。

最后,Y20材料。

它綜合了Y15和Y18的優點,既將TT單元上的側鏈,變更為直鏈的壬基(C9),又將氮原子上的側鏈,變更為2丁基辛基(BO)。

最終,Y20材料表現出器件性能上的突破,以及11>1的結果。

除了成功跨入17俱樂部的Y15、Y18和Y20以外,還有一些其他“失敗”的Y系列材料,比如剛剛的Y16材料就是一個例子,直接撲街到了12。

這也表明,側鏈的細致調控,對于Y系列材料最終器件性能的影響還是非常關鍵的。

從這一點來看,Y系列材料的調控過程和當初PCE11材料的調控非常的像,也都是主要針對于側鏈的調控。

許秋頓時找到了一個能夠合理自引那篇PCE11的AM文章的理由。

說實話,過年期間Y系列受體材料的摸索工作能夠這么順利,許秋也是稍微有些意外的。

想想當初,他開發出Y3材料,效率做到了14.8,但想往上突破到15,就像便秘一樣,廢了半天勁都上不去。

而現在,自從開發出Y12以后,短短半個月的時間,就直接把效率從15沖上了17。

不過,其實也可以理解。

科研這玩意,就和拉稀一樣,只要找到關鍵點,最開始那一下出來了,后面就順利多了,如同“靈感噴薄而出”一般。

當然,就像稀總會拉完,提升也都是有極限的。

比如,現在怎么把這個17.40,繼續向上突破達到18,甚至更高,就相對比較困難了。

好在許秋現在手中的底牌還有不少。

在摸索Y系列材料的過程中,他為了對比方便,一直是把給體材料鎖死為J4。

現在,他通過文獻閱讀,已經豐富了自己的給體庫,有很多其他的給體材料可供選擇。

包括之前從清北大學臧超軍,中科院化學所盧長軍,以及國家納米科學技術中心李丹那邊得到的L2、L6、S1幾種材料,許秋都已經同步開發出了他們當前的材料,以及更新的材料版本。

這種做法,有一點像是南山必勝客的做法。

比如當初快樂網開發出來的快樂農場,眼看就要盈利了,結果南山必勝客也開發了一款南山農場,直接免費,然后就把快樂農場給弄死了。

不過,科研嘛,大家都是為了整個領域的進步,互相借鑒彼此的成果也是非常正常的事情。

論文發出來,就是為了讓別人參考嘛,不然為什么要發表呢。

而且,許秋雖然在L2、L6、S1的基礎上做出了一些修改,比如引入氟原子、氯原子等等,但并沒有把材料名稱進行大改,而是直接叫為L2Cl、L6F等等,還是比較給原作者面子的。

因此,接下來,摸索的重點,就是用這些新材料去和Y15、Y18和Y20進行排列組合。

除此之外,關于加工工藝,許秋這邊還有各種精細優化的手段,包括溶劑添加劑、熱退火、溶劑退火、真空放置、熱旋涂、噴涂……

開拓了這么多方法,現在總有一款可以用的上。

總之,目標就是沖擊18!

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