有机太阳能电池获得超过13%的能量转换效率

正有机太阳能电池(简称OSCs)是一种新型的光伏器件,可以通过低成本的溶液加工方法制备大面的柔性器件,得到了国内外学术界和工业界的广泛关注~1。有机光活性材料(包括电子给体和电子受体)的设计与应用是提高OSCs能量转换效率(简称PCE)的重要途径。富勒烯衍生物在以往的研究中是应用最为广泛的电子受体材料,经过多年的发展,以聚合物和小分子作为电子给体的OSCs都取得了11%以上的PCE~(2,3)。然而,鉴于富勒烯     

有机太阳能电池空穴传输材料研究进展

有机太阳能电池(OSCs)是一种使用有机半导体作为光活性层材料的太阳能电池。其中空穴传输层对OSCs的载流子输运、能级调节、优化光活性层形貌等方面起到了显著提升的作用，因此开发和研究空穴传输材料具有重要意义。详细综述了近几年OSCs中聚合物及金属化合物空穴传输材料的研究进展，其中对聚3,4-乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT∶PSS)、MoO₃、WS₂等传输材料的修饰和改善进行了重点讨论，并归纳了其提升器件光电转换效率(PCE)和稳定性的原因。为进一步选择和设计空穴传输层以此提升OSCs的性能提供了参考。     

有机太阳能电池热失效机制及三元共混提升其热稳定性研究进展

有机太阳能电池(Organic solar cells, OSCs)作为一种新兴高效太阳能电池,近年来得到飞速发展.目前OSCs的光电转换效率(Powerconversionefficiency,PCE)已经达到19%以上,初见商业化应用曙光.但其稳定性方面尚未发展成熟,尤其在制备和工作过程中电池器件需要经历高温考验,电池的热稳定性要求高.三元共混策略是在传统的二元OSCs活性层中引入第三组分,利用第三组分调控分子间的相互作用,在实现高效光电转换效率的同时有效提高器件热稳定性,展现出了极大的应用潜力.本综述首先从器件热衰减过程出发,总结了OSCs热衰减过程中包括:热致活性层形貌变化、各层材料之间的互扩散行为以及界面老化等相关机制.在此基础上,重点介绍了三元策略在提高OSCs热稳定性方面的应用进展和作用机制.最后,对三元策略在OSCs中的应用发展进行总结并展望,指出第三组分的针对性选择以及作用机制解析是三元OSCs面临的关键问题和挑战.     

氯介导有机光伏材料

材料的合理设计对提高有机太阳能电池(OSCs)的能量转换效率(PCE)起着至关重要的作用.近年来有机太阳能电池在给受体材料的研究上取得了巨大成功,为能量转换效率快速增长做出了巨大贡献.目前其最高能量转换效率已经超过19%,显示出它们在实际应用中的巨大潜力.利用氯介导策略调控给受体材料性能被证明是一种有效的方法,具有重要的应用意义.通过努力,在不断取得的进展和积累的成果上,逐渐形成了“氯介导有机光伏材料体系”.此研究展望简要介绍了近年来利用氯介导策略发展的系列具有代表性的氯介导聚合物给体和非富勒烯受体材料体系;强调了氯原子在调控材料能级、分子间堆积、活性层薄膜形貌等方面的能力及其对器件光伏性能的重要影响,探究了其内在机理.此外,还讨论了未来在开发新型氯介导有机光伏材料时应考虑的一些关键问题,如转换效率、成本和稳定性.     

D-π-A-π-D型非掺杂小分子空穴传输材料的合成及其在反向钙钛矿太阳能电池中的应用

设计合成了三种以（甲氧基）三苯胺为给体（Donor,D）,苯环为共轭π桥,羰基（或双氰基乙烯基）为受体（Acceptor,A）的D-π-A-π-D型有机小分子空穴传输材料1-T、1-OT和1-OTCN.对三个化合物的热稳定性、光物理以及电化学性质进行表征,并将它们作为空穴传输材料运用至钙钛矿太阳能电池中,研究其光伏特性.实验结果表明,通过引入具有不同给（吸）电子能力的基团,可对材料的光电性质进行有效调控.基于小分子空穴传输材料1-T、1-OT和1-OTCN的非掺杂反向钙钛矿太阳能电池器件光电转化效率（PCE）分别为13.0%、14.4%以及16.8%.其中,基于甲氧基和双氰基修饰的1-OTCN电池器件,由于空穴传输层与钙钛矿界面发生更有效的电荷跃迁和收集,电荷复合较少,因此器件性能最佳,1-OTCN的疏水性质使得其对应器件效率和水氧稳定性均优于常用空穴传输材料PEDOT：PSS（PCE：13.0%）.     

A-D-A型小分子电子给体光伏材料的端基修饰及其光伏性能

有机太阳能电池(OSCs)活性层中的给体材料主要包括共轭聚合物与有机小分子,由于有机小分子给体具有结构确定、易于提纯、重复性高等独特的优势,近年来受到研究工作者的广泛关注。本工作中,我们采取具有良好共平面性的三联苯并二噻吩(TriBDT-T)为推电子(D)中心共轭单元,分别以罗丹宁(RN)、氰基罗丹宁(RCN)和1,3-茚二酮(IDO)为拉电子(A)共轭端基,设计并合成了三种具有A-D-A型结构的小分子给体材料TriBDT-T-RN、TriBDT-T-RCN和TriBDT-T-IDO。我们对比研究了三种端基对其热分解温度、吸收光谱和分子能级等基本性能的影响,并分别将三种小分子给体与非富勒烯型受体材料IT-4F共混制备器件,详细研究了活性层形貌与光伏性能之间的关系。结果表明,不同的A型端基对小分子给体材料的光学性能、电化学性能、光伏器件中活性层的微观形貌以及能量转换效率(PCE)产生显著影响。基于TriBDTT-RN:IT-4F、TriBDT-T-RCN:IT-4F和TriBDT-T-IDO:IT-4F的光伏器件的能量转换效率分别为9.25%、6.31%和6.18%。     

基于侧链为烷基硫苯的萘二酰亚胺单元的新型聚合物受体的合成及其光电性能

以N-（4-巯基苯基）乙酰胺、7-（溴甲基）十五烷和二溴萘二羧酸酐为原料合成了侧链为烷基硫苯的萘二酰亚胺（NDI）衍生物,将其作为受体单元,硒吩衍生物为给体单元,合成了基于NDI的新型聚合物受体(PNDI PSHD),同时合成了基于苯并二噻吩的D-A型共聚物PBDT(T) TPD作为给体材料,将聚合物给体、受体混合制备聚合物太阳能器件。聚合物的结构和光电性能经¹H NMR、 GPC、 UV、 CV和荧光发射光谱表征,并测试了器件的光伏性能。结果表明：给受体聚合物均具有较高的相对分子量,在太阳光范围具有强而宽的吸收,同时具有相对较低的最高电子占用轨道（HOMO）和最低电子未占用轨道（LUMO）能级,给受体聚合物混合后引起荧光猝灭,器件的能量转换效率（PCE）达到0.72%。     

MnWO4/生物质衍生碳纳米复合催化剂的制备及催化性能

通过共沉淀法合成了双金属氧化物MnWO₄镶嵌生物质衍生碳（MnWO₄/BC）纳米复合催化剂,并将其作为对电极（counter electrode,CE）催化剂组装了染料敏化太阳能电池（dye-sensitized solar cell,DSSC）,探究了MnWO₄/BC在非碘体系中的催化性能和光伏性能。结果表明：在铜氧化还原（Cu²⁺/Cu⁺）电对DSSC中获得的光电能量转换效率（power conversion efficiency,PCE）为3.57%（D35）和1.59%（Y123）,高于Pt电极的PCE（3.12%,1.16%）;50次连续循环伏安测试表明,MnWO₄/BC催化剂具有较好的电化学稳定性。     

添加剂和溶剂退火协同优化制备高性能厚膜有机太阳能电池

通过溶剂添加剂1-氯萘(CN)和二硫化碳(CS₂)溶剂退火(SVA)协同优化了基于窄带隙小分子受体的厚膜活性层形貌,揭示了该策略对共混膜形貌的调控机理,研究了其对活性层中的载流子动力学以及器件光伏性能的影响.结果表明,CN添加剂可以有效促进受体材料结晶聚集,CS₂溶剂退火能够进一步提升活性层材料分子堆积的有序性,同时优化给受体材料相分离尺寸,降低共混膜表面的粗糙度,实现了良好的纳米尺寸相分离形貌.基于CN+SVA处理的PM6∶Y6厚膜(300 nm)器件的电荷传输和复合性质得到改善,取得了15.23%的光电转换效率(PCE),显著高于未经处理(PCE=11.75%)和仅用CN处理(PCE=13.48%)的光伏器件.该策略具有良好的适用性,将基于PTQ10∶m-BTP-PhC6器件的光伏性能从13.22%提升至16.92%.     

主链含噻唑单元的新型聚噻吩衍生物的合成与光伏性能

聚噻吩(PT)衍生物由于简单易合成和较好的光电性能,被广泛运用于有机太阳能电池(OSCs)中,但PT较高的能级限制了其在非富勒烯类OSCs的应用。为了降低PT的能级结构,本研究将噻唑单元引入到聚噻吩主链中,设计并合成了新型聚合物给体材料PBTzCl-T。通过紫外-可见吸收光谱、电化学循环伏安法及密度泛函理论(DFT)计算等对聚合物的结构、光学和电学性能进行了表征,并对制备的光伏器件进行了光电性质研究。结果表明：噻唑的引入能够有效降低聚合物的HOMO和LUMO能级,从而提高光伏器件的开路电压。PBTzCl-T在不同溶剂中表现出不同的预聚集行为,进而影响聚合物给受体界面处的电荷转移能力和活性层形貌,导致光伏器件的短路电流和填充因子变化。     

A-D-A型小分子电子给体中的端基优化和高效率光伏器件

<正>相较于传统的无机太阳能电池,有机太阳能电池(OSCs)具备成本低、重量轻、可通过溶液加工方式制备柔性器件等诸多优点,已经成为具有重要应用前景的太阳能利用方式之一~(1,2)。自1995年俞刚等发明了具有本体异质结结构(BHJ)的OSC以来~3,采用共轭聚合物电子给体和小分子电子受体材料构建BHJ光伏活性层的电池能量转换效率     

两亲性季铵盐对钙钛矿太阳能电池效率和稳定性的影响

将廉价易得的两亲性季铵盐十六烷基三甲基溴化铵（CTMAB）加入到钙钛矿前驱体溶液中，通过调节添加量研究了CTMAB对钙钛矿太阳能电池效率和稳定性的影响.结果表明，加入CTMAB后制备的钙钛矿薄膜更加致密均匀，表面缺陷更少，钙钛矿晶体结晶性得到显著提高，从而提高了电池的光电转换效率及电池稳定性；含有CTMAB的钙钛矿太阳能电池的光电转换效率（PCE）为18.03%，明显高于未添加CTMAB的电池效率（17.05%）；含有CTMAB的电池稳定性有较大的提高，在一定湿度环境中保存40 d后效率仍达初始效率的95%，而未添加CTMAB的器件效率只有初始效率的70%.     

表面双重后处理方法提升三元NiMgO半导体界面层及其有机太阳能电池的性能※

采用溶胶-凝胶法制备了Mg掺杂氧化镍(NiO)的三元氧化物半导体NiMgO薄膜, 研究了不同表面后处理方法对薄膜结构、性质和能级的影响. 利用NiMgO薄膜作为新型空穴传输界面层构建了非富勒烯有机太阳能电池, 研究了器件性能变化及其物理机制. 结果表明, 以未表面处理NiMgO为界面层时, 器件的能量转化效率(PCE)为5.90%; 使用紫外-臭氧(UVO)表面后处理的NiMgO界面层, 器件PCE大幅提升至12.67%. 而NiMgO在UVO处理前进行润洗, 可以去除表面残留物, 薄膜变平整且透光率增加. 因此, 采用润洗与UVO结合的表面双重后处理新策略后, 器件的开路电压不变, 但短路电流密度和填充因子分别提高到23.48 mA•cm^–2和64.29%, 最终PCE达到13.17%. 该研究为半导体氧化物薄膜及器件的优化提供了一条有效途径.     

轮烷结构优化聚合物太阳能电池光伏性能

聚合度高低会影响聚合物太阳能电池(PSC)活性层的共混微观结构,导致其器件性能存在较大差异,一般在聚合度较低时,PSC的能量转化效率(PCE)通常因电荷传输受到影响而明显降低.为解决这一问题,本工作将环状化合物冠醚与聚合物以非共价键的方式组成轮烷结构,合成了四种具有不同冠醚含量且聚合度较低的给体材料PM6-C1、PM6-C2、PM6-C3和PM6-C4.在保留聚合物本身优异光电性质的同时,适量轮烷结构带来的非共价相互作用使活性层形成合适的纤维状网络结构和良好的相分离尺度,增强了器件的电荷提取效率,减少了陷阱/双分子复合,从而导致高的电荷传输与收集效率.基于PM6-C2的器件最终实现了16.23%的PCE,高于基于PM6-L的器件(15.33%),表明轮烷结构有助于改善聚合物太阳能电池活性层形貌,在PSC材料研究中具有极大的潜力.     

基于非平面稠环苝酰亚胺的全聚合物太阳能电池

将一种具有扭曲结构的稠环苝酰亚胺单元(FPDI-Th)和二氟苯并噻二唑(DFBT)作为单体,并在两者之间插入带有不同烷基侧链的噻吩作为桥接单元,合成了两种新的聚合物受体PPDIBT-Th与PPDIBT-Th-C6,并将其用于全聚合物太阳能电池器件。研究了烷基侧链对聚合物性质和有机太阳能电池(OSCs)器件性能的影响。结果表明:基于这两种聚合物的OSCs器件都展示了优异的光伏性能,烷基侧链的引入不仅会影响分子自身的堆积,还会影响与其共混的聚合物的固态堆积。引入适量的烷基侧链有利于活性层的整体形貌达到较好的平衡状态,提升光伏器件的性能。虽然PPDIBT-Th-C6自身分子间堆积变弱,但是PPDIBT-Th-C6和聚合物给体共混成膜之后,有效保证了给体的固态堆积,最终获得了更大的光电流(12.15 mA/cm~2)与光电转换效率(4.95%)。     

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。     

两步沉积法制备Br或Cl掺杂的有机-无机杂化钙钛矿太阳电池

采用控制前驱体浓度的两步沉积法和插入PbI₂层的DMSO分子（PbI₂（DMSO）复合体）分别与MAX（MA=CH₃NH₃,X=I,Br）或MAX（X=I,Cl）进行的分子内交换法,实现了Br或Cl的掺杂并合成了厚度为300nm左右的混合卤化物钙钛矿MAPbI_3-xBr_x和MAPbI_3-xCl_x膜。MAX前驱体溶液中含5%（摩尔分数,下同）MABr或15% MACl所生成的Br或Cl掺杂钙钛矿膜能提高钙钛矿太阳电池的光伏性能,进一步提高MABr或MACl的含量并不会明显改变掺杂量,但会形成小的白色颗粒或者针孔,这些将对电池的性能产生不利影响。前驱体溶液含5% MABr的MAPbI_3-xBr_x钙钛矿太阳电池所获得的能量转换效率（PCE）为13.2%,含15% MACl的MAPbI_3-xCl_x钙钛矿太阳电池获得了最高13.5%的PCE。     

钙钛矿光伏电池的非辐射复合损耗及调控策略

基于金属卤化物的钙钛矿光伏电池(PSCs)具有较大的光吸收系数、长的载流子扩散距离以及较低的制备成本等优势,在过去十几年来得到了研究者的广泛关注,目前最高光电转换效率(PCE)已经达到25.5%。然而,由于载流子运输过程中存在各类非辐射复合损耗,器件的PCE仍然低于肖克利-奎伊瑟理论极限。本文围绕PSCs的结构与工作原理,着重综述了器件工作过程中常见的非辐射复合方式,具体包括缺陷辅助复合、界面诱导复合、俄歇复合和带尾复合等,这些复合方式作为影响器件效率与工作稳定性的重要因素,受到研究者的广泛关注。结合最新的研究进展,从减小钙钛矿晶体缺陷、钝化晶界缺陷、钝化表面缺陷、优化能级结构等四个方面总结概括了降低非辐射复合的常用措施和策略。最后,对PSCs的非辐射复合调控前景进行了展望。     

三重态发光材料Cu4掺杂的PVK发光器件及特殊的发光增强机理研究

多种有机发光材料已被应用于电致发光（EL）器件的制备,其荧光效率远比无机发光材料高。与光激发直接产生单重态洋鬼子不同,电致发光过程是电子空穴分别由相反极性的电极注入（非成对电子注入）,三重态和单重态激子同时生成,按自旋统计理论预测,三重态和单重态子的比例为3：1。由于三重态的跃迁是自旋禁阻的,大部分有机分子的三重态激子发光效率极低,有机电致发光器件的最高交率限制在25％（对于光致发光效率100％的理想情况）。为进一步提高器件效率,人们开始设想和实施对通常认为是无效激发的75％的三重激发态进行利用,其关键是筛选出适于器件应用的高效率三重态发光材料,据此我们选择过渡金属配合物Cu4(C≡CPh4)4L2[L=1,8-bis9diphenyl phosphino)-3,6-dioxaoctane]（以下简称Cu4）进行了器件性能研究。     

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。