苯并噻二唑单元在聚合物光伏材料设计中的应用

聚合物太阳能电池因其易于加工、可制备成柔性器件、材料来源广泛等优点得到材料界和能源界的广泛关注。有机太阳能电池效率的不断提高主要得益于材料的发展和电池器件结构的优化。从材料设计角度考虑,种类众多的给体和受体单元被开发用来构建有机共轭分子,其中,苯并噻二唑单元由于共轭平面较大和吸电子性较强的特性被广泛用于构建高性能的有机太阳能电池材料。基于此,本文首先介绍了苯并二噻吩单元及其衍生物常见的合成方法,随后总结了其在构建聚合物给体方面的应用,最后对其后续发展方向和前景提出了展望。     

基于宽带隙小分子给体第三组分的三元有机光伏器件

三元策略是提升器件光电转换效率的重要途径.本文设计合成了基于苯并噻二唑并二噻吩桥联基团的宽带隙小分子给体DRDTBT,并将其作为有机太阳能电池中的第三组分.通过引入具有缺电子性质的苯并噻二唑并二噻吩单元,使DRDTBT获得了较低的最高占有轨道能级以及高的结晶性,将其作为第三组分引入基于PM6∶BTP-eC9的器件中时有效提升了器件的开路电压,活性层形貌也得到了更好的调节.得益于提升的开路电压和填充因子,三元器件取得了优于二元器件的光电转换效率,其开路电压为0.86 V,短路电流密度为26.99 mA/cm²,填充因子为76.34%,最终取得了17.72%的高光电转换效率,证明将高结晶性缺电子单元引入小分子给体第三组分中是提升三元有机太阳能电池效率的有效途径.     

可溶液加工p-n多臂结构共轭分子的设计合成与应用

设计合成了两种以p型苯基咔唑为核,n型苯并噻二唑衍生物为臂的p-n多臂结构共轭分子S1和S2.通过1H NMR,13C NMR,GC-MS/MALDI-TOF等表征了其化学结构,研究了其光物理性质、热力学性质、电化学性质及其电子结构等,并作为活性材料应用于制备有机太阳能电池器件.实验结果表明所得的p-n多臂结构共轭分子表现出良好的溶液加工性、较宽的光谱吸收、较窄的能隙和较高的开路电压等特性.     

4,6-2,1,3-苯并噻二唑:一种新的聚合物光电功能材料构筑砌块和多性能调节剂

采用Suzuki缩合聚合方法,将4,6-苯并噻二唑单元引入到聚合物中,合成了4,6-苯并噻二唑-咔唑共聚物P1,研究了其光学性质和电化学性质.结果表明,与4,7-位结构类似物(HBC)相比,P1在Mn=12000时仍易溶于甲苯,二氯甲烷等一般的有机溶剂中;其薄膜状态时的紫外吸收光谱和光致发光光谱分别蓝移78和43 nm;光学带宽和电化学带宽分别增大0.35和0.40 e V,而循环伏安曲线的形状不变;说明4,6-位苯并噻二唑单元的引入,有效地改善了苯并噻二唑类聚合物的溶解性能,调节了光电性能,但保留了苯并噻二唑单元优异的电化学稳定性和可逆性.4,6-位苯并噻二唑单元的引入为实现苯并噻二唑类聚合物材料的多性能调节提供了一种新的手段和方法.     

基于苯并二噻吩的D-A型窄带隙共轭聚合物在太阳能电池中的应用

近年来为获得有机聚合物太阳能电池更高的能量转换效率,越来越多的活性层材料被设计合成出来,尤其是给体材料。其中,基于给体单元苯并二噻吩(BDT)的D-A型窄带隙共轭聚合物更是多次刷新了有机聚合物太阳能电池效率的最高记录,目前达10.6%。本文探讨了基于苯并二噻吩的D-A型窄带隙共轭聚合物材料结构及其应用在太阳能电池中的性能参数关系,从提高开路电压、短路电流和填充因子三个方面总结出了提高基于BDT共轭聚合物太阳能电池能量转换效率的方法。     

基于不同功能的苯并噻二唑为受体单元和低聚噻吩为给体单元的D-A-D-A-D型有机小分子光伏材料的理论计算研究

设计了四个以四联噻吩为中心给电子单元,联二噻吩为末端给电子单元,不同功能的苯并噻二唑(DOBT,BT,FBT和FFBT)为吸电子单元的有机小分子太阳能电池给体材料,分别称为DOBT-8T,BT-8T,FBT-8T和FFBT-8T.在B3LYP/6-31G(d)基组的水平上利用密度泛函和含时密度泛函理论对四个小分子进行了理论计算.详细分析了吸电子单元苯并噻二唑的结构修饰对小分子给体材料性能的影响.理论计算结果显示,不同功能的苯并噻二唑单元的引入对小分子给体材料的几何结构、禁带宽度、HOMO与LUMO能级、轨道电子密度分配、能量驱动力、开路电压和分子中的原子电荷(NPA)都有重要调节作用.相比于其它分子,以FBT为吸电子单元的FBT-8T,显示了最窄的带隙和较低的HOMO能级值.以FFBT为吸电子单元的FFBT-8T,获得了最低的HOMO能级和较为合适的禁带宽度.利用Scharber模型分别计算了基于小分子/PC61BM为活性层的光伏器件的能量转换效率(PCE),基于FBT-8T/PC61BM和FFBT-8T/PC61BM的光伏器件,将获得的PCE分别高达约4.7%和5.2%.在以上研究的基础上,推测FBT-8T和FFBT-8T是潜在的高性能的有机小分子体异质结光伏给体材料.     

苯并二噻吩/苯并噻二唑ADA型光电化合物:氟取代的影响

在其组成的共轭基元上进行氟取代是有机光电材料功能修饰的常见策略之一.在前期苯并二噻吩/苯并噻二唑ADA型小分子光电化合物基础上,在两个苯并噻二唑基元上引入不同个数的氟取代基,考察氟修饰位置和个数对其基本性质、场效应晶体管和光伏性能的影响.研究表明,随着氟原子数目的增加,化合物的溶解性能降低,热稳定性提高,最高占有轨道和最低空轨道能级降低,但光谱吸收范围变化不大.有机场效应晶体管器件测试表明,当苯并噻二唑单氟代且位于外侧位点时,化合物的空穴迁移率有所降低;当苯并噻二唑双氟代时,迁移率得到了明显提高,达到0.27cm~2·V~(-1)·s~(-1).光伏器件研究发现,氟原子的引入提高了器件的开路电压,但活性层形貌变差,最终导致短路电流密度和电池效率下降.     

有机太阳能电池材料研究新进展

介绍了有机太阳能电池研究的背景、基本原理、分类,并对有机太阳能电池材料进行了全面综述,包括小分子太阳能电池材料、大分子太阳能电池材料、D-A体系材料和有机无机杂化体系材料.     

基于不同功能的苯并噻二唑为受体单元和低聚噻吩为给体单元的D-A-D-A-D型有机小分子光伏材料的理论计算研究（英文）

设计了四个以四联噻吩为中心给电子单元,联二噻吩为末端给电子单元,不同功能的苯并噻二唑(DOBT,BT,FBT和FFBT)为吸电子单元的有机小分子太阳能电池给体材料,分别称为DOBT-8T, BT-8T, FBT-8T和FFBT-8T.在B3LYP/6-31G(d)基组的水平上利用密度泛函和含时密度泛函理论对四个小分子进行了理论计算.详细分析了吸电子单元苯并噻二唑的结构修饰对小分子给体材料性能的影响.理论计算结果显示,不同功能的苯并噻二唑单元的引入对小分子给体材料的几何结构、禁带宽度、HOMO与LUMO能级、轨道电子密度分配、能量驱动力、开路电压和分子中的原子电荷(NPA)都有重要调节作用.相比于其它分子,以FBT为吸电子单元的FBT-8T,显示了最窄的带隙和较低的HOMO能级值.以FFBT为吸电子单元的FFBT-8T,获得了最低的HOMO能级和较为合适的禁带宽度.利用Scharber模型分别计算了基于小分子/PC61BM为活性层的光伏器件的能量转换效率(PCE),基于FBT-8T/PC_(61)BM和FFBT-8T/PC_(61)BM的光伏器件,将获得的PCE分别高达约4.7%和5.2%.在以上研究的基础上,推测FBT-8T和FFBT-8T是潜在的高性能的有机小分子体异质结光伏给体材料.     

苯并噻二唑衍生物作为铆接基团提高染料敏化太阳能电池效率（英文）

我们设计了一系列苯并噻二唑衍生物作为铆接基团的染料分子,运用第一性原理方法研究了苯并噻二唑类染料分子的光电性质,并对氰基丙烯酸作为铆接基团的染料分子的性能进行了详细比较。结果表明,新设计的铆接基团的染料分子拥有更广的吸收光谱,甚至可以覆盖到1000 nm左右的近红外区域。更重要的是,通过界面电子转移(IET)的动力学研究发现:染料分子SPN和SPS能够更快速的将电子注入到TiO_2表面,在15 fs之内,便可以将90%的电子注入到半导体TiO_2上,并在100 fs之内完成电子注入过程。因此,SPN和SPS的铆接基团可以更加有效提高染料太阳能电池效率。我们的研究将为高效染料敏化太阳能电池非金属有机敏化剂分子的设计提供指导。