水/醇溶共轭聚合物界面材料及其在光电器件中的应用

相对于传统的无机半导体器件,以有机半导体(特别是聚合物半导体)材料为基础的有机光电器件,可采用与传统印刷技术(例如喷墨打印、卷对卷印刷等)相结合的溶液加工方式制备低成本、大面积、柔性光电器件,因而成为广泛关注的焦点,并得到了快速发展.实现溶液加工的高效有机光电器件的一个关键问题是界面问题——如何避免溶液加工时有机层间的互溶以及如何实现可印刷稳定金属电极的高效电子注入等.水/醇溶性共轭聚合物的迅速发展为解决溶液加工多层有机光电器件所面临的界面问题提供了有效手段.研究发现,水/醇溶共轭聚合物不但可以有效避免溶液加工多层器件中的界面互溶,而且还可与高功函数的稳定金属发生界面偶极相互作用而增强其电子注入,从而解决了高功函数稳定金属电子注入的难题,为实现全溶液加工的高效印刷有机光电器件提供了可行的方案.本文介绍了近年来本课题组在水/醇溶共轭聚合物阴极界面材料及器件应用方面的研究进展,并对水/醇溶共轭聚合物阴极界面材料在聚合物发光二极管和聚合物太阳电池中的工作机理进行了探讨.     

柔性链在调控有机半导体光电性能中的应用

过去一段时间里, 用于光电器件的可溶液加工有机半导体材料已经取得了巨大的进步. 寻找新的共轭骨架一直是改善器件性能的研究重点. 相比之下, 通常认为只有增溶作用的柔性链的发展一直没有引起足够的重视. 本文希望通过总结近年来有关柔性链在调控有机半导体光电性能方面的研究进展, 探讨柔性链的类型、长度、密度、取向以及节点等对材料光电性能的影响作用及规律, 以期深刻理解柔性链在调控有机半导体光电性能中的作用, 为进一步优化高性能有机半导体材料的分子结构设计提供参考和指导.     

胺基功能化咔唑共轭聚合物的合成及其光电性能研究

发展了新型含有胺基的支化烷基修饰的咔唑单元,并且与芴、咔唑、苯等单元通过Suzuki偶联反应共聚得到不同主链结构的水/醇溶共轭聚合物界面修饰材料,研究了主链结构的变化对材料光物理、电化学性能的影响.所有聚合物均被用作阴极界面材料应用于器件结构为ITO/PEDOT：PSS/P-PPV/界面层/Al的聚合物发光二极管中.在相同器件制备条件下,系统比较了不同主链结构的界面修饰材料在器件中的性能,并研究了性能差异的原因.器件研究结果表明,在高功函数金属Al阴极的聚合物发光二极管中,含胺基功能化咔唑单元的水/醇溶共轭聚合物材料由于界面偶极的形成,均表现出很好的电子注入/传输性能,与之对应的器件性能得到大幅提升.     

聚合物太阳能电池活性层的形貌调控

聚合物太阳能电池由于制备工艺简单、重量轻、成本低廉、可制备大面积柔性器件等优点,成为新能源和材料科学中的重要研究方向.经过近10年的发展,聚合物太阳能电池的能量转换效率从2005年的5%提高到目前的10%左右,然而聚合物太阳能电池的活性层形貌仍是制约其能量转换效率的一个重要方面.本文围绕聚合物太阳能电池结构与性能的关系,重点介绍了活性层材料的分子设计(共轭主链调制、烷基侧链优化等)和加工方法(热退火、添加剂、三元溶剂、绿色溶剂等)对其微观形貌的影响,并展望了聚合物太阳能电池未来的发展趋势以及面临的关键挑战.     

高效率有机太阳能电池的界面工程研究

有机太阳能电池(OSC)为典型的三明治结构,是以共轭类有机化合物为活性层材料将太阳光转换为电能,通过两个电极输出电流。这些有机物具有来源广、质量轻和可再生等优点,使得有机太阳能电池在清洁新能源领域备受关注。当前研究的焦点仍然是提高电池的光电转换效率,主要通过改善活性层材料、优化器件结构和界面修饰等途径。本文重点介绍了作者课题组在界面工程方面所做的代表性工作,通过引入含磺酸基团或羧酸基团的超支化结构的聚合物阴极修饰层材料,获得了高效的OSCs;合成了新颖的非共轭有机小分子电解质修饰层,制备了高达10.02%效率的单结正型OSCs。此外,还研究了简单的极性溶剂处理,如甲醇能够优化活性层形貌,提高电池器件的性能。     

水/醇溶聚合物界面材料在聚合物光电器件中的应用及性能研究

系统研究了系列不同共轭与非共轭水/醇溶聚合物作为界面修饰材料在聚合物发光二极管和聚合物太阳电池中的应用及结构性能关系. 研究了界面层厚度, 器件金属电极功函对材料界面修饰性能的影响. 在此基础上, 系统对比研究了共轭与非共轭水/醇溶聚合物界面材料在不同聚合物光电器件中界面修饰性能的差别. 内建电势测试与器件研究结果表明, 在聚合物发光二极管中, 共轭材料表现出明显优于非共轭材料的性能, 特别是在超高功函数的金属金电极器件中, 共轭的水/醇溶聚合物材料依然表现出很好的电子注入/传输性能; 在聚合物太阳电池中, 共轭材料的界面修饰性能也优于非共轭类界面修饰材料.     

利用非共价构象锁定设计小分子受体材料

<正>聚合物太阳能电池(PSC)具有质轻,成本低,可通过溶液加工的方法大面积制备柔性器件等优点,受到广泛关注~(1–3)。目前,体异质结(BHJ)结构的PSC主要采用共轭高分子给体材料和受体材料共混制备光电活性层。2015年,占肖卫课题组首先报道了一类非富勒烯的高效率的稠环电子受体(FREAs)~(4,5)。这类受体具有化学结构易修饰,能级易调控以及跟给体聚合物吸收互补等显著优点,受到研究者们的青睐。近3年来,基于FREAs构建     

苝二酰亚胺聚合物受体设计及在全聚合物太阳能电池中的应用

二元或多元聚合物组成的本体异质结具备高度稳定的微相分离形貌,带来潜在的器件寿命和稳定性方面的巨大优势,全聚合物活性层器件因而成为有机太阳能电池的重要发展方向和研究内容.本文系统介绍近年来苝二酰亚胺类聚合物受体的研究进展,以及将这类聚合物受体应用于全聚合物太阳能电池所取得的重要成果.通过多种不同共聚单元结构的设计和筛选、主链和侧链化学结构的调控和优化,获得了一系列性能优越的苝二酰亚胺聚合物受体,这些材料的运用大幅度地提升了全聚合物太阳能电池的能量转化效率.相关的研究数据和结果也为后续酰亚胺类聚合物受体的设计开发、全聚合物本体异质结活性层的形貌特征和光电转化机制的分析和研究,以及全聚合物太阳能电池器件性能的优化和提升提供了良好的实验基础.     

有机太阳能电池用聚合物给体材料的研究进展

有机太阳能电池由于质轻、价廉、柔性,受到人们的广泛关注.开发性能优异的聚合物给体材料,是近期有机太阳能电池研究的主流方向之一.迄今为止,已经成功开发出各种各样具有优秀的给体性质的共轭聚合物.基于这些材料制备的有机太阳能电池器件,已经突破9%的光电转换效率.按照聚合物给体材料的主链结构分类,综述了近年来这方面的研究进展.对一些受到普遍关注的材料,从设计思想、性能剖析到器件制备和性能,做了详细的介绍,以期能够深层次理解材料的化学结构-凝聚态结构-性能间的基本规律,为今后的材料研发提供有价值的参考.     

有机及有机无机杂化太阳电池中的界面研究

第3代可溶液加工的太阳电池(包括有机太阳电池、钙钛矿太阳电池等),因为制备成本低、可制备柔性器件等特点备受关注.它们的迅速发展与活性层材料、界面材料与修饰以及器件工程等方面的快速发展息息相关,其中器件中的各个界面对激子的分离、载流子传递和收集有着巨大的影响,影响着器件的性能.本文重点介绍了近年来我们课题组在有机太阳电池、聚合物/量子点杂化太阳电池以及钙钛矿太阳电池研究中,如何设计界面材料以及通过自组装层对电极进行界面修饰,实现活性层和电极之间的欧姆接触和载流子的有效收集;如何在界面层中引入具有等离激元效应的纳米粒子实现光场的有效利用和性能的提升;以及如何对聚合物和纳米粒子间的界面修饰实现载流子的高效分离,制备高性能的杂化太阳电池器件.     

聚合物太阳能电池阴极修饰层研究进展

聚合物太阳能电池以其质量轻、成本低、制备工艺简单等优点成为清洁能源利用的研究热点.近年来聚合物太阳能电池光电转换效率逐步提高,单结聚合物太阳能电池的光电转换效率已超过11%,其中器件的界面修饰层成为影响器件光伏性能的重要因素.本文总结了聚合物太阳能电池阴极修饰层的研究进展,分别从无机材料和有机材料两方面介绍了常用的阴极修饰层材料.无机材料包括金属氧化物、金属和金属化合物等,有机材料包括聚合物、富勒烯衍生物以及n-型有机半导体材料等.本文还从阴极修饰层的电学特性、光学特性、能级位置、表面形貌、界面接触等方面讨论了其对聚合物太阳能电池光伏性能的影响,展望了聚合物太阳能电池的发展前景.     

共轭聚合物光电探测器研究进展

相较于传统无机半导体材料,有机共轭聚合物半导体具有响应光谱高度可调、质量轻、可大面积制备、与柔性基板兼容等优点,其作为光活性层在下一代可穿戴光电探测器的应用中显示出巨大的应用潜力.共轭聚合物具有多样化的结构设计,不同的分子结构对其光物理化学性能可进行灵活调控,进而展现出各具特色的光电特性.同时,通过结构优化亦可赋予共轭...     

基于二维共轭结构的苯并二噻吩类聚合物光伏材料

为了不断提高聚合物太阳能电池的光电转化效率,研究人员设计并合成了种类众多的给/受体单元来制备共轭聚合物材料.其中,基于苯并[1.2-b:4,5-b′]二噻吩(BDT)单元的聚合物材料在有机太阳能电池器件中取得了十分突出的光电转化效率,显示了巨大的应用前景.相比于柔性侧基(如烷氧基或烷基)取代的BDT单元而言,基于二维共轭结构BDT的共轭聚合物通常有更好的热稳定性,更宽的吸收光谱,较低的HOMO能级以及更高的空穴迁移率,因而表现出更加优异的光伏性能,最近报道的由二维共轭BDT单元共聚物制备的聚合物太阳能电池可以获得10%以上的光电转化效率.本文首先简要介绍了二维共轭结构BDT单元的合成方法,然后总结了近年来基于二维共轭结构BDT单元的共轭聚合物及其在太阳能电池中的应用.     

通过调节共轭聚合物侧链实现可绿色溶剂加工的非富勒烯太阳能电池

有机太阳能电池(OSC)经过长期的发展,其能量转换效率(PCE)已快速推进至14%–16%,基本接近可商业化应用的范围,但在目前所见报道的高效率OSC器件的制备过程中,活性层薄膜的加工大多采用氯苯、二氯苯、氯仿等毒性较高的含卤/芳香性试剂,此类试剂对环境及人类健康的危害非常高。在本工作中,我们基于已报道的高效率给体共轭聚合物PBDB-T,通过扩大共轭侧链结构与增长柔性烷基侧链的方式,合成了新型给体聚合物PBDB-DT。PBDB-DT中较长的柔性烷基侧链保证了其在低毒性溶剂四氢呋喃(THF)溶液中良好的溶解度,同时,扩大的共轭侧链也有效增强了其在THF中的溶液聚集作用,这一特性对于在非富勒烯型OSC器件中获得较好的光伏性能尤其重要。当采用非富勒烯小分子IT-M作为电子受体材料时,以THF为主溶剂加工的基于PBDB-DT:IT-M的OSC器件可以获得10.2%的能量转换效率。     

共轭高分子链构象和溶液聚集结构研究进展

共轭高分子具有优异的光电性质和可加工性,被广泛用于有机光电器件的制备。共轭单元的存在使得此类高分子具有更刚性的主链结构。由于较强的分子间相互作用,共轭高分子容易在溶液中形成组装结构。共轭高分子的链构象、组装体结构、薄膜形貌和光电性能之间的联系研究成为了本领域的研究热点。然而,共轭高分子在可见光区存在较强的吸收效应,用传统的光散射技术对共轭高分子溶液的研究充满挑战。本文总结了近年来对于共轭高分子链刚性的研究,并从分子尺度上讨论了链结构与光学、电学性能间可能存在的关联;进一步阐述了共轭高分子溶液聚集的形成和演化,总结了溶液聚集与成膜过程中影响场效应迁移率的因素。试图在不同尺度上讨论共轭高分子的微观结构与宏观性能之间的关系。     

共轭高分子的精准合成

共轭高分子由于带隙容易调控、柔性、可溶液加工等优异性能，在有机光电领域具有重要的应用前景.然而，聚合物普遍存在批次重现性差、结构缺陷多等问题，限制了聚合物的应用及发展.本文总结了聚合物的结构缺陷，通过回顾本课题组以及国内外同行近几年的前沿工作，详细分析了共轭高分子材料均聚结构缺陷产生的原因和机理，同时介绍了目前较为常用的表征结构缺陷的方法，以及此类缺陷对器件性能的影响.另外，还分析了当前3种合成共轭高分子材料的经典方法：Stille、Suzuki和直接芳基化聚合反应，介绍了这些方法在聚合物精准合成方面的前瞻性方法学的最新成果，并对本领域的发展进行了展望.     

富勒烯类界面修饰材料在聚合物太阳能电池中的应用

聚合物太阳能电池具有质量轻、成本低、可大面积柔性制备等优点,近年来成为国内外研究的热点.界面修饰是实现器件效率最大化的有效途径.与无机、高分子类界面修饰材料相比,富勒烯类界面修饰材料因富勒烯本身良好的电子亲和性及与受体分子结构相似而表现出优异的兼容性,在提高聚合物太阳能电池性能方面表现尤为突出.本文介绍了聚合物太阳能电池的结构与光伏参数,综述了富勒烯衍生物作为界面修饰材料,在聚合物太阳能电池中的研究进展,并对富勒烯类界面修饰材料的进一步发展进行了探讨.     

有机光敏二极管的功能材料探索及其器件结构

有机光敏二极管具有功能材料种类丰富、光敏波长可调控、成本低和可在柔性基底上制备等优点,在图像传感、免疫探测、光学通信等方面有着重要的应用前景.本文对近年来引起广泛关注的一些有机光敏二极管材料进行了归纳,探讨了它们在对不同波长敏感的光敏器件中的特性,总结了有机光敏二极管的结构优化、界面修饰和界面传输机理及其内部光强分布的相关研究,并介绍了一些基于有机光敏二极管的光电功能器件实际应用.最后,对有机光敏二极管未来的发展方向和应用前景进行了展望.     

苯并菲盘状侧链液晶聚合物的大分子工程

盘状液晶聚合物兼具盘状液晶的光电性能和聚合物的柔韧性以及优异的成膜加工性能,有望发展成为新一代先进有机聚合物柔性光电功能材料.本文介绍苯并菲盘状侧链液晶聚合物的研究进展,主要结合我们研究组的工作,重点评述采用受控/活性自由基聚合方法可控合成这类侧链液晶聚合物以及对分子量效应和间隔基长度影响等基本问题的阐明.我们采用可逆加成-断裂链转移(RAFT)聚合第一次成功实现了分子量窄分布的苯并菲聚丙烯酸酯侧链盘状液晶聚合物的可控制备.首先提出盘单元局部簇集的分立短柱堆积(DCS)模型,合理解释了聚合度20左右出现的显著分子量效应,尤其揭示并提出了盘状侧链液晶聚合物的正耦合效应(PCE)理论,即短间隔基的较强耦合作用更有利于其有序柱状相的形成,与棒状侧链液晶聚合物经典的柔性长间隔基去耦合理论形成鲜明对照,补充了缺失的理论短板.基于这些原则,我们设计合成的丁氧基苯并菲聚丙烯酸酯侧链盘状液晶聚合物,经飞行时间谱(TOF)测试,表现出比文献报道值高1~2个数量级的载流子迁移率.进一步在手性客体分子掺杂诱导组装形成单手性螺旋结构聚合物复合物,以及拓扑受限环状聚合物和嵌段共聚物的受控制备等方面开展了比较系统的大分子工程实践.盘状侧链液晶聚合物的可控制备及其显著不同于棒状液晶聚合物体系的一些基本特征的阐明,为这类重要有机聚合物半导体材料的理性设计与可控合成提供理论指导,也为加速推进其光电器件化应用奠定基础.     

水溶性共轭聚合物研究与应用进展

近年来,在水溶性共轭聚合物(CPs)方面的研究备受瞩目,由于它包含了聚合物共轭主链良好的光电性质的同时还兼具了良好的水溶性,因此在光电功能信息器件中有着特殊的应用,并显著地推动了包括生物传感、电致发光器件、太阳电池和场效应晶体管等有机光电子材料及其器件的发展.本文对近几年来水溶性CPs的合成及其应用进展做出简要的总结,...