太陽能電池的未來等—日本化學家開發(fā)出能夠自我修復發(fā)光的材料

突破自愈發(fā)光材料


想象一下，如果你的手機屏幕或太陽能電池板在受到損傷后能夠自我修復，而且還能發(fā)出美麗的光芒，這將是多么令人驚嘆的事情！這就是RIKEN CSRS研究中心的科學家們所取得的成就。他們開發(fā)的這種材料，不僅具有自我修復的特性，而且在吸收光線時能夠發(fā)出高量的熒光。


理化學研究所 CSRS 研究人員開發(fā)的一種突破性自愈合熒光材料為更耐用的有機太陽能電池和更廣泛的應用提供了潛力，符合可持續(xù)消費和生產的目標。


2019 年，理化學研究所 CSRS 的侯兆民及其團隊使用稀土金屬催化劑成功共聚了乙烯和異丙烯。由此產生的二元共聚物具有顯著的損傷自愈特性。這種共聚物的軟組分（乙烯和異丙烯的交替單元）與乙烯-乙烯鏈的硬結晶單元結合在一起，成為物理交聯(lián)點，形成了納米相分離結構，這被證明是自愈合的關鍵。


由乙烯、異丙烯和芘乙烯基取代苯乙烯組成的三元共聚物花紋薄膜的熒光和自愈特性。資料來源：理化學研究所


在這一成功的基礎上，他們在單體中加入了發(fā)光單元苯乙烯，然后形成了包括異丙烯和乙烯在內的聚合物。這一過程只需一個步驟，就能合成具有熒光特性的自愈材料。


這種材料的潛力是巨大的。它可以用于制造更耐用的有機太陽能電池，相比現(xiàn)有的版本，它們提供了更長的使用壽命和更高的可靠性。而且，這種材料的用途遠不止于此。熒光材料在有機發(fā)光二極管（OLED）、有機場效應晶體管（OFET）等領域都有著廣泛的應用。

增強的特性和應用


還有一個額外的驚喜。由此產生的共聚物不僅被證明是堅韌的，而且在沒有外部刺激或能量的情況下表現(xiàn)出自我修復。其拉伸強度在 24 小時內完全恢復，與二元共聚物相比具有很高的自愈速度。該材料即使在水、酸性和堿性溶液中也能夠自我修復，這意味著它可以在各種環(huán)境中使用。


共聚物的網絡結構包括由苯乙烯基芘單元和結晶乙烯-乙烯納米疇和由交替單元組成的軟鏈段形成的物理交聯(lián)點，促進了自修復。


該材料還顯示出附加特性。研究團隊通過光刻技術成功地將二維圖像轉移到熒光自愈膜上。盡管該圖像在自然光下仍然不可見，但在紫外線下卻可以識別，這表明該薄膜作為信息存儲設備的潛在應用。即使在圖像上，該薄膜也保持了其出色的自愈和彈性特性。


“我們通過一步反應合成的材料使我們能夠通過調整單體的組成來控制其光學和機械性能。我們認為它可以為開發(fā)在各種實際環(huán)境中具有高自愈能力的新型功能材料做出重大貢獻，“侯說。這項研究與聯(lián)合國的可持續(xù)發(fā)展目標（SDGs）相一致，特別是有助于“目標12：確?？沙掷m(xù)的消費和生產模式”。


熒光（TADF）材料市場空間大 但受技術限制尚未完全商業(yè)化


OLED稱為有機發(fā)光二極管，擁有輕薄、高對比度、柔性可彎曲等性能優(yōu)勢，主要應用于智能手機、智能穿戴設備、筆電、平板、電視等領域。OLED屏幕具有自發(fā)光的特性，需采用非常薄的有機發(fā)光材料、玻璃基板、封裝材料、偏光片等材料組合而成。有機發(fā)光材料是OLED的核心材料之一，根據分子量和分子屬性的不同，有機發(fā)光材料分為高分子與小分子材料，其中TADF材料屬于小分子有機發(fā)光材料。

熱活化延遲熒光（TADF）材料是一種新型低成本、高效率的有機發(fā)光材料，被稱為第三代有機發(fā)光材料。OLED有機發(fā)光材料發(fā)展了三代，第一代為熒光材料，發(fā)光率較低僅為25%左右，但是仍存在大量的應用，特別是在藍光材料體系中；第二代是以銥（Ir）、鉑（Pt）、錸（Re）為代表磷光材料，發(fā)光效率接近100%，目前應用較為廣泛，是紅色和綠色的主流發(fā)光材料，但是藍色磷光材料尚未商業(yè)化；第三代為TADF材料，具有發(fā)光效率高和低成本的優(yōu)勢，但是由于材料結構本身存在壽命、色純度等問題，還未完全商用。


OLED作為LCD之后最具潛力的新型顯示技術之一，近年來發(fā)展十分快速，市場滲透率持續(xù)上升。近年來OLED在智能手機市場中的滲透率持續(xù)增長，在平板電腦、PC、TV等領域中的滲透率相對較低，這是由于小尺寸OLED產品技術更為成熟，中大尺寸OLED在使用壽命和成本方面存在缺陷。但是隨著技術的持續(xù)發(fā)展，OLED在中大尺寸領域的滲透率也有望持續(xù)增長。近年來，國內京東方、維信諾、深天馬等面板廠商的OLED產能快速釋放，在全球市場中份額增長，對于有機發(fā)光材料的需求也在持續(xù)增長。


文章來源： 新思界網，熙翰認知，cnBeta

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