含噻吩[2,3-b]并噻吩-吡咯[3,4-c]并吡咯二酮结构单元聚合物的合成及其在太阳能电池中的应用研究

设计并合成了一种交叉共轭的(cross-conjugated)缺电子型聚合物单体——二溴代噻吩[2,3-b]并噻吩-吡咯[3,4-c]并吡咯(DPPTTZ)二酮,并将其分别与噻吩(T)、硒吩(Se)和N-甲基吡咯(Py)的双锡试剂进行共聚反应,获得了一类新的供体-受体(D-A)型共轭聚合物光电材料.这类材料分子的最高占有轨道(HOMO)能级较低,因此其光电器件具有较高的开路电压(Voc),稳定性好.此外,它们在紫外-可见光区有较宽的吸收,最大吸收位于波长620 nm附近;能带隙(band gap)小,分别为1.86 e V(p DPPTTZ-T)、1.83 e V(p DPPTTZ-Se)和1.85 e V(p DPPTTZ-Py).器件初步测试结果表明,上述聚合物与PC71BM组成的本体异质结聚合物太阳能电池Voc在0.68~0.81 V之间,能量转化效率(PCE)最高达3.05%(p DPPTTZ-T).     

基于金/硅纳米线阵列肖特基结的自驱动式的可见-近红外光探测器性能研究

本文成功构筑了金/硅纳米线(Au/SiNWs)阵列自驱动式可见-近红外光探测器.探测器在暗态时表现出良好的二极管整流特性,在±1 V偏压下,整流比达584.在可见-近红外光照下,光探测器具有明显的光生伏特效应.光探测性能研究表明:当无外加偏压时,探测器对波长为405 nm、532 nm和1064 nm的光源具有较高的响应率,并且响应快速、信号稳定,重现性良好;当给器件施加一个很小的正偏压时,通过暗态和照光的切换,探测器可使外电路中的电流快速地正负交替变化,从而实现一种快速、有效的二进制光响应.自驱动式Au/SiNWs阵列光探测器显示了高灵敏、快速、宽光谱响应特性,具有巨大的应用前景.     

光敏层厚度与退火温度调控对聚3-己基噻吩光电探测器性能的影响

以聚3-己基噻吩(P3HT)为给体材料,富勒烯衍生物(PC61BM)为受体材料,制备了一系列结构为ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PC61BM/C60/Al的体异质结光电探测器.研究了120、160、180与200 nm不同光敏层厚度,100、120、130、140与150℃不同退火温度等条件对器件性能的影响,并采用原子力显微镜(AFM)对光敏层形貌进行了分析.研究发现,基于180 nm厚光敏层、150℃退火处理的器件,在-2 V的偏压下550 nm处有最大响应度,为268 mA/W,并且在470~610 nm范围内响应度都超过了200 mA/W;基于180 nm厚光敏层、120℃退火处理的器件有最大线性动态范围,为95 dB.研究表明,适当厚度的光敏层有利于提高光吸收效率与器件的光伏性能;退火处理,可以使光敏层形成均匀的互穿网络结构,进而减小空穴与电子的复合概率,提高器件的光伏性能.     

基于膜厚与分子量优化策略实现高效近红外有机光探测器

利用基于[1,2,3]三唑并[4,5-f]异吲哚-5,7(2H,6H)-二酮(TzBI)共轭聚合物PTzBI-Cl为给体,非富勒烯小分子Y6DT为受体,制备基于倒装结构的有机本体异质结光探测器.基于高分子量聚合物PTzBI-Cl-H制备的器件比低分子量材料制备的器件具有更低的暗电流和更高的光探测性能.通过对PTzBI-...     

化学气相沉积法制备InSe纳米片及其近红外光探测性能

采用化学气相沉积法在云母衬底上制备了二维InSe纳米片, 研究了生长温度对二维InSe纳米片晶相、 形貌、 尺寸及厚度的影响. 构筑了基于二维InSe纳米片的光探测器并研究了其光探测性能, 结果表明, 在808 nm的近红外光辐照下, 其光响应度为1.5 A/W, 外量子效率为230%, 可探测度为3.1×10 ⁸ Jones(1 Jones=1 cm·Hz ^1/2·W ^-1), 上升和衰减时间分别为0.5 和0.8 s.     

以C_(70)衍生物为电子受体的高效聚合物固体薄膜太阳能电池

以PC[70]BM(phenyl C71-butyric acid methyl ester)取代PC[60]BM(phenyl C61-butyric acid methyl ester)作为电子受体材料,以MEH-PPV(poly[2-methoxy-5-(2′-ethylhexyloxy)-1,4-phenylenevinylene])为电子给体材料,制成了本体异质结(bulk heterojunction,BHJ)聚合物太阳能电池.MEH-PPV/PC[70]BM器件在AM1.5G(80 mW/cm2)模拟太阳光的光照条件下得到了3.42%的能量转换效率,短路电流值达到了6.07 mA/cm2,开路电压0.85 V,填充因子为53%.通过紫外可见吸收光谱和外量子效率的研究,发现PC[70]BM作为电子受体,对扩大光谱的吸收范围和增加活性层的吸收系数有明显的作用.同时比较了不同溶剂对该体系器件性能的影响.通过原子力显微镜(AFM)、光暗导I-V曲线等研究,分析了1,2-二氯苯有利于给体相和受体相的微相分离和载流子的传输的原因.     

石墨炔修饰的ZnO薄膜紫外探测器

制备了石墨炔修饰的金属-半导体-金属结构的ZnO紫外探测器,研究了不同旋涂次数的石墨炔修饰对探测器性能的影响。实验结果表明,石墨炔修饰的探测器比未修饰器件的光电流提高4倍,暗电流降低2个数量级,同时探测器的响应度和探测率也明显提高,其中旋涂2次的石墨炔修饰的器件特性为最优。在10 V偏压下,旋涂2次的石墨炔修饰的探测器响应度高达1759 A·W⁻¹,探测率高达4.23× 10¹⁵ Jones,这是迄今为止报导过的溶胶-凝胶法制备的ZnO紫外探测器的最高值。经过对探测器各项性能的测试分析可知,石墨炔修饰的ZnO探测器性能的提高归因于石墨炔良好的空穴传输特性。暗环境下ZnO与石墨炔界面处形成p-n结,使探测器的暗电流大幅降低;光照条件下光生空穴在石墨炔中聚集,减少了电子空穴对的复合,有效提高了器件的光电流。由于石墨炔修饰减少了ZnO表面的氧分子吸附和解吸附过程,器件的响应速度也明显加快。     

新型给体-受体型聚合物的合成及其在本体异质结聚合物太阳能电池中的应用

设计、合成了侧链含有强吸电结构的丙二酸二丁酯受体单元与苯并[1,2-b:4,5-b′]二噻吩给体单元交替共聚物PBDTDT,研究了其热学、光学、电化学性质以及与受体PC71BM([6,6]-苯基C71丁酸甲酯)共混作为活性层制备成本体异质结聚合物有机太阳能电池的光伏性质,考察了PBDTDT与PC71BM不同比例时的光伏性能,当聚合物PBDTDT和PC71BM质量比为1∶3制备的器件,其开路电压达到了0.82 V,能量转换效率(PCE)为0.90%,短路电流为3.25 mA/cm2,填充因子FF为0.338,同时将其与同等工艺制备的poly(3-hexylthiophene)(P3HT)太阳能电池的光伏性能进行比较,相同工艺下制备的P3HT电池的开路电压仅为0.55 V,由PBDTDT制备的电池开路电压比P3HT电池的开路电压高出0.29V,同时分析了PBDTDT能量转换效率较P3HT低的原因.     

Metallated conjugation in small-sized-molecular donors for solution-processed organic solar cells

Four metallated conjugated oligothiophenes,S-1,S-2,S-3 and S-4,with platinum(II)aryleneethynylenes as the electron-rich building block were synthesized to investigate their physicochemical and photovoltaic properties.These small molecules possess fairly low-lying HOMO energy levels which match with the LUMO energy level of the electron acceptor PC70BM([6,6]-phenyl-C71-butyric acid methyl ester).Using the simple process of spin-coating solution fabrication technique,S-1:PC70BM(1:4,w/w)based organic solar cells exhibiting a high Voc of 0.913 V,with a PCE value of 0.88%were developed.In contrast,the OSC device based on S-2:PC70BM(3:7,w/w)displayed a higher PCE of 1.59%with a higher Jsc value of 5.89m A cm–2.The device based on S-4:PC70BM(1:4,w/w)exhibited a PCE value of 1.56%,with a Voc of 0.917 V.     

以蒽醌酰亚胺为电子受体的共轭聚合物的设计与合成及其在光探测器上的应用

合成了5,8-二溴蒽醌-2,3-二羧酸,进一步制备出相应的酸酐和一个新的电子受体——N-(1-己基庚基)-5,8-二溴蒽醌-2,3-二羧酸酰亚胺.该化合物的活性很高,可通过钯配合物催化的偶联反应与不同的电子给体进行聚合获得相应的给受体型共轭聚合物.在计算机模拟的辅助下,设计合成了2个聚合物.聚合物P1选用苯并双噻吩衍生物作为电子给体基元,而P2在P1的基础上,选用3,4-乙烯二氧噻吩作为连接基元,两个聚合物的吸收波长覆盖整个可见光区.聚合物的LUMO(最低未占分子轨道)能级在-3.85 eV左右,且具有很好的溶解性,可与(6,6)-苯基-C61-丁酸甲酯掺杂制备出体异质结光探测器件.P2制备的光探测器件,在-4 V的偏压下,505 nm处EQE为26%,相应的归一化探测率(D*)为2.2×1011Jones.     

A new oligobenzodithiophene end-capped with 3-ethyl-rhodanine groups for organic solar cells with high open-circuit voltage

A new solution-processable small-molecule donor material,named DRBDT3,comprised of oligobenzo[1,2-b:4,5-b’]dithiophene as the backbone and 3-ethyl-rhodanine as the end-capped group has been designed and synthesized for application in organic photovoltaic cells.The oligobenzodithiophene derivative exhibits an absorption band from 300 to 640 nm.The film of DRBDT3 shows highly long-range ordering assembly and high mobility of 1.21×10 4 cm2 V 1 s 1.The new molecule shows a deep highest-occupied molecular orbital energy level.The device based on DRBDT3 as the donor and PC71BM as the acceptor exhibits a power conversion efficiency of 4.09%with a high open-circuit voltage of 0.99 V under AM.1.5G illumination(100m W cm2).     

苯并[1,2-b:4,5-b']二噻吩和二噻吩邻苯二甲酰亚胺的平面型交替共聚物的合成及其光伏性能

通过Stille聚合反应合成了含有苯并[1,2-b:4,5-b']二噻吩和二噻吩邻苯二甲酰亚胺的D-A结构平面共聚物PBDTPhBT.该聚合物热稳定性和在常见有机溶剂中的溶解性良好、在380～580nm范围内有强吸收.分子模拟计算的结果表明,聚合物主链具有较好的平面型.PBDTPhBT的光学带隙为2.10eV、用电化学方法测量的HOMO能级为5.23eV.以聚合物PBDTPhBT为给体、PC70BM为受体(给受体重量比为1:1)、Ca/Al为负极制备了本体异质结聚合物太阳能电池.在AM1.5,100mWcm2光照条件下器件的开路电压和短路电流分别为0.79V和5.63mAcm2,能量转换效率达到了1.76%.     

含有不同卤素阴离子的离子液体作为倒置聚合物太阳电池阴极界面层的研究

采用离子液体作为阴极界面层来制备高效的倒置聚合物太阳电池,并考察了含有不同卤素阴离子的离子液体对器件光电转换效率的影响规律.由1-苄基-3-甲基咪唑阳离子和卤素阴离子组成的离子液体作为阴极界面层、PBDTTT-C:PC71BM作为活性层制备的倒置器件,光电转换效率达到6.55%,高于不采用离子液体作为阴极界面层的器件效率;当采用PTB7-Th:PC71BM作为活性层时,可获得8.24%的光电转换效率.离子液体通过界面偶极作用可以有效降低电极和活性层之间的接触势垒,减小串联电阻,从而提高器件效率.同时,发现碘离子作为阴离子的1-苄基-3-甲基咪唑离子液体比含氯离子、溴离子的1-苄基-3-甲基咪唑离子液体作为阴极界面层更有利于提高倒置器件的光伏性能.     

含均苯四甲酸二酰亚胺受体单元的共轭高分子的合成及其在有机太阳能电池上的应用

通过Stille反应合成了一系列含有均苯四甲酸二酰亚胺受体单元的共轭聚合物P1～P7.该系列聚合物在常见有机溶剂中溶解性良好,在370～600 nm范围内有较强吸收.通过循环伏安法测量其LUMO能级范围在-3.66～-3.90 eV之间,HOMO能级在-5.25～-6.17 eV之间,在同类分子中接近最低值.通过改变主链中噻吩单元的数量和给电子单元,可以调节分子的能隙,使其电化学能隙在2.45～1.55 eV范围内变化.将含均苯四甲酸二酰亚胺受体单元的P1～P7应用于有机太阳能电池中,作为给体材料与PC61BM共混制成本体异质结聚合物电池,器件开路电压普遍较高.其中基于均苯四甲酸二酰亚胺与二噻吩并噻咯的聚合物P7的器件,在AM 1.5 G,86 mW/cm2光照条件下,开路电压为0.72 V,短路电流为1.22 mA/cm2,能量转换效率为0.27%.     

Φ100 mm YBCO高温超导材料及应用研究

采用固相反应法制备适用于红外探测器的高Tc超导靶材(YBCO), 直径100 mm, 性能为 Tc≥90 K, d≥4.5 g*cm-3, 平整度≤0.5 mm, 平面度≤0.1 mm, 无分层和裂纹; 通过直流磁控溅射制得YBCO/YSZ超导薄膜, 其性能为Tc≥90 K, Jc(77 K)＞106 A*cm-2, ΔT＜3 K; 以高Tc超导薄膜为灵敏元的十二元测辐射热计的技术指标为 响应波段1～3000 μm, 平均响应率R(500, 12, 1)＞104 V*W-1, 平均噪声等效功率NEP＜10-12 W*Hz-1/2, 平均探测率D*(500,12,1)＞2×109 cm*Hz*1/2*W-1, 完成了对红外、亚毫米波和3 mm波成像的初步实验.     

聚合物:富勒烯薄膜光伏电池的反常高温热稳定性研究

聚合物太阳能电池光电转换效率已接近商业化要求,但稳定性差却成为其实用化瓶颈因素.高温暴晒是聚合物太阳能电池实用化必须面临的环境,因此提高聚合物太阳能电池的热稳定性至关重要.本文以典型的Poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl(P3HT):[6,6]-Phenyl-C61-butyric acid methyl ester(PC61BM)基聚合物太阳能电池为研究模型,考察其在不同加热温度下(50~110℃)持续工作时的器件效率变化行为,结果发现电池在高温下表现出一种非常规的性能衰减再回升的行为,具体表现为高温下电池首先表现指数式急速衰减(20%~25%),随后发生反常的性能快速恢复至接近初始效率,之后电池保持超长的高温稳定性.光学显微镜和激光光束诱导电流成像结果证明,顶电极覆盖可以有效抑制活性层中PC61BM的聚集结晶,因而电池的反常热诱导稳定性提升与PC61BM的大量聚集结晶无关.活性层薄膜的紫外可见吸收光谱和器件外量子效率的表征结果证明,持续高温加热没有促进PC61BM二聚体的形成,反而有利于PC61BM二聚体的解离.综合实验分析结果,推测PC61BM在光照下的快速二聚反应及其高温解离是导致电池表现出反常热稳定性提升行为的主要原因.实验结果揭示了初期制备的聚合物太阳能电池实际处于一种亚稳态,对器件进行短暂的前期热退火有利于稳定活性层结构,消除亚稳态,有效提升器件稳定性.本研究工作不仅对富勒烯基聚合物太阳能电池的热诱导反常稳定性提升机理机制给出了解释,而且提供了一种提高聚合物太阳能电池稳定性的新策略.     

聚吡咯并[3,4-c]吡咯的电子结构及导电性研究

采用密度泛函(DFT)方法在6-31g(d)水平下研究了聚吡咯和聚吡咯并[3,4-c]吡咯, 以及它们的单体和低聚物的电子结构. 对中心键的键长、电荷密度以及Weberg键级的研究表明, 随着主链聚合度的增加, 其共轭性增强. 对聚合物还进行了能带结构和态密度分析. 结果发现, 在3位聚合的并环化合物具有最优的导电性能, 其能隙仅有0.25 eV, 可以作为潜在的导电聚合物材料.     

含有呋喃衍生物的窄带隙共轭聚合物的合成及光伏性能研究

通过Stille法将呋喃衍生物苯并二呋喃(BDF)引入共轭主链,合成了苯并二呋喃-呋喃-苯并恶二唑共聚物(Polymer 1,简称P1).以紫外吸收光谱分析了聚合物溶液及其膜的基本光谱特征,通过理论计算进行了分子模拟,并用电化学循环伏安法测定了其基本的电化学性质.采用此材料为给体,PC71BM为受体制备了本体异质结型的有机太阳能电池器件,同时研究了不同给/受体重量比的情况下以及1,8-二碘辛烷作为添加剂的情况下的光伏器件性能.结果表明,P1聚合物在可见光区具有较大吸收.由P1所制得的光伏器件,在AM1.5的模拟太阳光照射条件下最高的转化效率为2.96%,表明BDF基团的引入可实现窄带隙的光电聚合物.     

综合研究DPE添加剂对含5,6-二氟-苯并[1,2,5]噻二唑给-受体共聚物的光伏性能影响（英文）

合成了三个以5,6-二氟-苯并[1,2,5]噻二唑为受体,2,5-双-(2-辛基-十二烷氧基)-1,4-双(噻吩并[3,2-b]噻吩基)苯和2,5-双-(2-辛基-十二烷氧基)-1,4-双(硒吩基)苯为给体的给-受体型共聚物(PBT2F-TT-a,PBT2F-TT和PBT2F-Se).这三个聚合物与PC71BM共混制备成了本体异质结聚合物太阳能电池.通过原子力显微镜(AFM)、透射电子显微镜(TEM)、交流阻抗谱(ACIS)、空间电荷限制电流(SCLC)和短路电流密度-入射光光强(JSC-Plight)测试方法系统研究了二苯醚(DPE)对活性层的形貌、载流子迁移率以及光伏性能的影响.实验结果表明DPE有助于提高共混膜载流子的迁移率,同时器件的光伏性能也得到改善.此外,PBT2F-Se器件的SCLC实验数据揭示了平衡的空穴和电子迁移率有利于提高器件的短路电流密度.     

一种低带隙平面分子结构的聚合物合成

合成了一种给-受体型平面分子结构的低带隙共轭聚合物QP-1(聚[2,6-4,8-双十二烷氧基苯并[1,2-b;3,4-b’]二噻吩-4,7-二[2,5-噻吩]-5,6-二烷氧基-2,1,3苯并噻二唑)),研究了其热学、光物理和光伏性质。由电化学测试得到聚合物的带隙为1.79eV,最高分子占有轨道HOMO和最低分子未占轨道LUMO值分别为-5.47 eV和-3.49 eV。与富勒烯的衍生物PCBM有较为理想的能级匹配水平。使用聚合物/PC71BM共混物作为活性层构筑了本体异质结聚合物太阳能电池。光伏电池的能量转换效率为1.01%,开路电压为0.58 V,短路电流为4.25 mA/cm2,填充因子ff值为0.33。X射线粉末衍射(XRD)结果显示平面主链间的距离为0.365nm,具有较好的结晶性。