非富勒烯型聚合物太阳电池取得超过11%的光伏效率

非富勒烯型聚合物太阳电池,由于其非富勒烯类受体材料可易于通过分子设计获得与聚合物给体材料互补的光吸收、匹配的电子能级从而有可能获得更高的效率,而受到了越来越多的关注.最近的研究发现,采用非富勒烯型受体材料与一种新型中等带隙聚合物给体材料可实现创纪录的11.2%的能量转换效率.这一成果预示非富勒烯受体将成为聚合物太阳电池研究下一波的新热点,并有可能成为这一类太阳电池新的突破口.     

基于富勒烯和噻吩聚合物的本体异质结太阳电池

随着全球能源需求量的逐年增加,对可再生能源的有效利用成为亟待解决的问题。现在使用的能源多来自矿物燃料的开采,其中包括石油、天然气和煤等,而这些资源是非常有限的。因此,发展新能源和新能源材料是我国进入21世纪必须解决的重大课题,其中太阳能被认为是清洁可再生新能源的代表之一。基于噻吩跟富勒烯的异质结太阳能电池是目前太阳能电池的重要发展方向之一。该种太阳能电池因其制备简单、成本低廉、重量轻和可制成柔性器件等优点近年来受到多方的广泛重视。经过努力,该种太阳能电池的光电转化性能已经得到了一定提高,最高光电转化效率已达到7%左右,但是跟无机半导体硅和染料敏化太阳能电池相比还有一定差距。因此,这方面的研究任重而道远,研究空间也非常大。本文从材料合成的角度,简要综述了近年来国内外在基于富勒烯和噻吩的异质结太阳能电池方面所取得的最新研究进展,并对下一步需要研究的热点问题作了展望。     

基于一种新型聚噻吩衍生物为给体的非富勒烯聚合物太阳能电池

With the development of non-fullerene small-molecule acceptors, non-fullerene polymer solar cells (PSCs) have garnered increased attention due to their high performance. While photons are absorbed and converted to free charge carriers in the active layer, the donor and acceptor materials both play a critical role in determining the performance of PSCs. Among the various conjugated-polymer donor materials, polythiophene (PT) derivatives such as poly(3-hexylthiophene), have attracted considerable interest due to their high hole mobility and simple synthesis. However, there are limited studies on the applications of PT derivatives in non-fullerene PSCs. Fabrication of highly efficient non-fullerene PSCs utilizing PT derivatives as the donor is a challenging topic. In this study, a new PT derivative, poly[5, 5′-4, 4′-bis(2-butyloctylsulphanyl)-2, 2′-bithiophene-alt-5, 5′-4, 4′-difluoro-2, 2′-bithiophene] (PBSBT-2F), with alkylthio groups and fluorination was synthesized for use as the donor in non-fullerene PSC applications. The absorption spectra, electrochemical properties, molecular packing, and photovoltaic properties of PBSBT-2F were investigated and compared with those of poly(3-hexylthiophene) (P3HT). The polymer exhibited a wide bandgap of 1.82 eV, a deep highest occupied molecular orbital (HOMO) of -5.02 eV, and an ordered molecular packing structure. Following this observation, PSCs based on a blend of PBSBT-2F as the donor and 3, 9-bis(2-methylene-(3-(1, 1-dicyanomethylene)-indanone)-5, 5, 11, 11-tetrakis(4-hexylphenyl)-dithieno-[2, 3-d:2′, 3′-d′]-s-indaceno[1, 2-b:5, 6-b′]dithiophene (ITIC) as the acceptor were fabricated. The absorption spectra were collected and the energy levels were found to be well matched. These devices exhibited a power conversion efficiency (PCE) of 6.7% with an open-circuit voltage (V_OC) of 0.75 V, a short-circuit current density (J_SC) of 13.5 mA·cm^-2, and a fill factor (FF) of 66.6%. These properties were superior to those of P3HT (1.2%) under the optimal conditions. This result indicates that PBSBT-2F is a promising donor material for non-fullerene PSCs.     

高效聚合物光伏材料研究进展

聚合物光伏电池因具有重量轻、成本低以及可制成柔性大面积器件等优点而具有广阔的应用前景.近年来,采用共轭聚合物作为光伏电池活性层材料的研究进展十分迅速.本文介绍了聚合物光伏电池的工作原理和器件结构,综述了聚合物材料作为给体,在体相异质结型光伏器件中的最新研究进展,并对今后进一步提高这类电池的能量转换效率问题进行了探讨.     

聚合物太阳电池光伏材料

聚合物太阳电池由共轭聚合物给体和可溶性富勒烯衍生物受体的共混膜夹在ITO透光电极和金属电极之间所组成,具有结构简单、成本低、重量轻和可制成柔性器件等突出优点,近年来受到广泛关注。聚合物太阳电池中的给体和受体光伏材料是决定器件性能的关键。本文综述了共轭聚合物给体和富勒烯受体光伏材料的最新研究进展,对共轭聚合物受体材料和给体-受体双缆型共轭聚合物光伏材料的研究进展也进行了简要介绍。在共轭聚合物给体材料中对聚噻吩衍生物以及含有苯并噻二唑的窄带隙D-A共聚物进行了重点介绍。     

面向非富勒烯型有机光伏电池的聚合物给体材料设计

可溶液加工的有机光伏电池(OPV)是一种具有重要应用潜力的新型光伏技术。在OPV技术的发展过程中,富勒烯衍生物作为电子受体材料占据了相当长时间的统治地位,因此聚合物给体材料设计中对如何与富勒烯受体材料相互匹配考虑较多。最近几年来,基于聚合物给体和非富勒烯有机受体的OPV电池,简称为非富勒烯型NF-OPV,得到了十分快速的发展。在此类电池中,聚合物电子给体和非富勒烯型电子受体材料均起到了十分重要的作用。相比于较为经典的富勒烯型OPV,NF-OPV对聚合物给体的光电特性和聚集态结构提出了新的要求。因此,本文针对NF-OPV的特点,重点介绍NF-OPV对聚合物给体材料的吸收光谱、分子能级以及聚集态结构等特征的新要求,总结最近几年来的相关进展,并在此基础上进一步讨论聚合物电子给体材料面临的挑战和展望。     

理性调控聚合物给体-非富勒烯受体的混溶性制备高效率有机太阳能电池※

除了非富勒烯受体的设计与合成, 聚合物给体的选择对非富勒烯太阳能电池的光伏性能同样重要. 本工作设计并合成一种共轭骨架无sp³杂化碳原子的新型非富勒受体(命名为MDB), 并将其作为模型化合物研究给受体混溶性和分子有序堆积对太阳能电池性能的影响. 本工作选择三种宽带隙聚合物给体(PM6、J71和P3HT)与MDB共混来制备太阳能电池. 得益于MDB和PM6之间适度的混溶性, 由二者组成的混合膜表现出合适的相分离, “face-on”的分子取向和更紧密有序的分子堆积, 从而促进了载流子传输, 并抑制了电荷复合. 因此基于PM6:MDB的器件实现了13.26%的优异光电转换效率, 远高于基于J71:MDB (8.16%)和P3HT:MDB (0.45%)的器件. 该工作证明了给体-受体之间合适的混溶性是实现高效率有机太阳能电池的关键因素之一, 这对有机光伏材料的设计与合成具有重要指导意义.     

基于聚合物给体与非富勒烯有机小分子受体材料的有机太阳能电池研究进展

在本体异质结有机太阳能电池的研究中,富勒烯及其衍生物是一类重要的n-型电子受体材料,然而基于富勒烯的材料有一些难以克服的弱点,例如在可见光范围内较弱且窄的吸收、很难调节的带隙、溶解性较差等,这些都严重限制了富勒烯类材料在有机太阳能电池中作为n-型受体材料更广泛的应用。而非富勒烯n-型电子受体材料比富勒烯类材料拥有在可见光光谱中更加宽广的吸收范围、能级更易调节、合成简便、加工成本更低、溶解性能更加优异等重要特点,目前基于非富勒烯类材料的本体异质结有机太阳能电池的能量转换效率超过了4%。本文综述了几类非富勒烯类有机小分子受体材料的研究进展,讨论了提高基于非富勒烯类有机小分子材料的有机太阳能电池器件性能的关键因素,并对其发展前景作了展望。     

聚合物太阳能光伏技术研究进展

聚合物太阳电池因其结构简单、成本低、重量轻和可制成柔性器件等突出优点,近年来受到广泛关注,成为发展绿色可再生能源的重要方向。聚合物太阳电池中的给体和受体光伏材料是决定器件性能的关键,本文综述了共轭聚合物给体和富勒烯受体光伏材料的最新研究进展,并在共轭聚合物给体材料中对聚噻吩衍生物以及窄带隙D-A共聚物进行了重点介绍。同时讨论了薄膜优化和器件稳定性,最后从提高电池效率的几个方面展望了聚合物太阳电池的发展方向。     

共轭聚合物发光和光伏材料研究进展

聚合物光电功能材料与器件因其广阔的应用前景,1990年以年来吸引了世界各国学术界的广泛关注和兴趣.聚合物光电子器件主要包括聚合物电致发光二极管、聚合物场效应晶体管和聚合物太阳能电池等,其使用的关键材料是共轭聚合物光电子材料,包括共轭聚合物发光材料、场效应晶体管材料和光伏材料等.本文主要对共轭聚合物电致发光材料和光伏材料的研究进展进行综述,介绍了这些聚合物材料的种类、结构和性质以及在聚合物电致发光器件和聚合物太阳能电池中的应用.并讨论了当前共轭聚合物光电子材料中的关键科学问题和今后的发展方向.     

聚合物太阳能电池高效共轭聚合物给体和富勒烯受体光伏材料

聚合物太阳能电池（PSC）由共轭聚合物给体和富勒烯衍生物受体的共混膜（活性层）夹在ITO透明导电玻璃正极和低功函数金属负极之间所组成,具有制备过程简单、成本低、重量轻、可制备成柔性器件等突出优点,近年来成为国内外研究前沿和热点。当前研究的焦点是提高器件的光电能量转换效率,而提高效率的关键是高效共轭聚合物给体和富勒烯衍生...     

含萘并二噻吩小分子受体材料的带隙调控及其在非富勒烯太阳能电池中的应用

By using photovoltaic technology, ambient solar light can be directly converted to electricity. The photovoltaic technology has been regarded as one of the most important and promising strategies to resolve the worldwide energy and pollution problems. As one type of photovoltaic technology, polymer solar cells have attracted increasing interest due to their advantages of solution processing capability, low-cost, feasibility to be fabricated on flexible substrates etc. Not until a few years ago, the fullerene derivatives had been dominated the organic photovoltaic field as the most promising acceptor materials for polymer solar cells. However, fullerene-based polymer solar cells have a power conversion efficiency bottleneck due to the relatively fixed energy levels as well as the fixed bandgaps of fullerene derivatives. Therefore, researchers started to develop nonfullerene acceptors which can be used as alternatives to replace the traditional fullerene derivatives. Compared to the fullerene derivatives, nonfullerene acceptors offer several advantages such as stronger light absorption, tunable bandgaps and frontier molecular orbital energy levels. For nonfullerene acceptors, a ladder-type fused ring is usually used as the central core which is an essential building block to tailor the bandgaps and energy levels. Although many fused ring systems have been explored for efficient nonfullerene acceptors, ladder-type angular-shape dithienonaphthalene is seldom reported as the donor unit for nonfullerene acceptors. Furthermore, the impact of thiophene bridge on the optical and photovoltaic properties of the dithienonaphthalene-based nonfullerene acceptors has never been reported. In this context, we report on the design and synthesis of a dithienonaphthalene-based small-molecule acceptor which contains thiophene bridges in between the acceptor terminals and the fused-ring donor core. Compared to the dithienonaphthalene-based small-molecule without the thiophene bridges, the resulting acceptor (DTNIT) exhibits a reduced bandgap of 1.52 eV which makes it more suitable to be blended with the benchmark large bandgap copolymer, poly[(2, 6-(4, 8-bis(5-(2-ethylhexyl)thiophen-2-yl)-benzo[1, 2-b: 4, 5-b']dithiophene))-alt-(5, 5-(1', 3'-di-2-thienyl-5', 7'-bis(2-ethylhexyl)benzo[1', 2'-c:4', 5'-c']dithiophene-4, 8-dione)] (PBDB-T). The reduced band-gap of the resulting nonfullerene acceptor can be attributed to its extended π-conjugation in comparison with the dithienonaphthalene-based acceptor without the thiophene bridges. Inverted polymer solar cells with a device configuration of indium tin oxide/ZnO/PBDB-T:DTNIT/MoO₃/Ag were fabricated and characterized. Polymer solar cells based on PBDB-T:DTNIT showed an open circuit voltage of 0.91 V, an enhanced short circuit current of 14.42 mA∙cm⁻², and a moderate PCE of 7.05% which is comparable to the PCE of 7.12% for the inverted device based on PBDB-T:PC₇₁BM. Our results not only provide a method to synthesize efficient nonfullerene acceptors with reduced bandgaps, but also offer a bandgap modulation strategy for nonfullerene acceptors.     

聚合物电解质在染料敏化太阳能电池中的应用进展

染料敏化太阳能电池(DSSC)由于成本低、污染小、制备工艺简单而受到广泛关注。电解质在其中起到桥梁的作用,能促使染料再生、输运空穴,从而完成整个光电循环过程,是DSSC重要的组成部分。本文简要介绍了DSSC的基本结构和工作原理,指出了传统液态电解质存在的问题,综述了近年来以聚合物为基体制备的新型固态聚合物电解质、凝胶聚合物电解质以及多孔聚合物电解质在DSSC中的应用,最后对聚合物电解质在染料敏化太阳能电池中的发展做出了展望。     

聚合物太阳能电池给体材料研究进展

随着能源和环境问题日益严重,人们日益关注于太阳能的开发和应用。同时,无机太阳能电池因其自身原因而受到限制,聚合物太阳能电池受到更多的关注。在聚合物基的太阳能电池中,给体材料制约着电池效率的提高,其中材料的带隙和能级是影响其性能的主要因素。而通过研究和选取具有合适带隙和能级的给体材料可以有效地调节电池器件的效率。本文介绍了太阳能电池给体材料的设计原则与主要影响因素,并叙述了近年来该领域内的研究进展和以及发展前景。     

退火处理提高P3HT:PCBM聚合物太阳能电池光伏性能

利用旋转涂膜方法制备了以P3HT:PCBM为有源层的聚合物太阳能电池, 器件结构为ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/Al(氧化铟锡导电玻璃/聚二氧乙基噻吩:聚对苯乙烯磺酸/聚三已基噻酚:富勒烯衍生物/铝),研究了退火温度对聚合物太阳能电池性能的影响. 实验发现: 聚合物薄膜经过120 °C退火10 min处理后, 开路电压(V_oc)达到0.64 V, 短路电流密度(J_sc)为10.25 mA·cm^-2, 填充因子(FF) 38.1%, 光电转换效率(PCE)达到2.00%. 为了讨论其内在机制, 对不同退火条件下聚合物薄膜进行了各种表征. 从紫外-可见吸收光谱中发现, 退火处理使P3HT在可见光范围内吸收加强且吸收峰展宽, 特别是在560和610 nm处的吸收强度明显增大; X射线衍射(XRD)结果表明, 120 °C退火后P3HT在(100)晶面上的衍射强度是未退火薄膜的2.8倍, 有利于光生载流子的输运; 原子力显微镜(AFM)研究结果表明, 退火显著增大了P3HT与PCBM的相分离程度, 提高了激子解离的几率; 傅里叶变换红外(FTIR)光谱验证了退火并没有引起聚合物材料物性的变化.     

退火处理提高P3HT:PCBM聚合物太阳能电池光伏性能

利用旋转涂膜方法制备了以P3HT:PCBM为有源层的聚合物太阳能电池, 器件结构为ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/Al(氧化铟锡导电玻璃/聚二氧乙基噻吩:聚对苯乙烯磺酸/聚三已基噻酚:富勒烯衍生物/铝),研究了退火温度对聚合物太阳能电池性能的影响. 实验发现: 聚合物薄膜经过120 °C退火10 min处理后, 开路电压(V_oc)达到0.64 V, 短路电流密度(J_sc)为10.25 mA·cm^-2, 填充因子(FF) 38.1%, 光电转换效率(PCE)达到2.00%. 为了讨论其内在机制, 对不同退火条件下聚合物薄膜进行了各种表征. 从紫外-可见吸收光谱中发现, 退火处理使P3HT在可见光范围内吸收加强且吸收峰展宽, 特别是在560和610 nm处的吸收强度明显增大; X射线衍射(XRD)结果表明, 120 °C退火后P3HT在(100)晶面上的衍射强度是未退火薄膜的2.8倍, 有利于光生载流子的输运; 原子力显微镜(AFM)研究结果表明, 退火显著增大了P3HT与PCBM的相分离程度, 提高了激子解离的几率; 傅里叶变换红外(FTIR)光谱验证了退火并没有引起聚合物材料物性的变化.     

高效率窄带隙聚合物太阳能电池材料

太阳能电池能够将太阳能直接转化为电能,是利用太阳能资源的一种非常有效的手段。聚合物太阳能电池因成本低、重量轻、制备方便和可制成柔性器件的优点,已经成为该领域的研究热点之一。基于窄带隙共轭聚合物给体/富勒烯受体复合材料体系制得的太阳能电池的最高转换效率已经达到8.3%,而寻找性能更优异的聚合物给体材料是进一步提高光伏性能的关键因素。本文综述了近几年关于高效率窄带隙聚合物太阳能电池给体材料的研究进展,着重介绍了苯并噻二唑类共聚物、稠环噻吩类共聚物和吡嗪类共聚物等窄带隙聚合物给体材料体系及相应光伏器件的性能,分析了各种材料的优点和不足,并对今后这一领域的发展做了展望。     

Hole/Electron Transporting Materials for Nonfullerene Organic Solar Cells

Nonfullerene acceptor based organic solar cells (NF-OSCs) have witnessed rapid progress over the past few years owing to the intensive research efforts on novel electron donor and nonfullerene acceptor (NFA) materials, interfacial engineering, and device processing techniques. Interfacial layers including electron transporting layers (ETL) and hole transporting layers (HTLs) are crucially important in the OSCs for facilitating electron and hole extraction from the photoactive blend to the respective electrodes. In this review, the lates progress in both ETLs and HTLs for the currently prevailing NF-OSCs are discussed, in which the ETLs are summarized from the categories of metal oxides, metal chelates, non-conjugated electrolytes and conjugated electrolytes, and the HTLs are summarized from the categories of inorganic and organic materials. In addition, some bifunctional interlayer materials served as both ETLs and HTLs are also introduced. Finally, the prospects of ETL/HTL materials for NF-OSCs are provided.