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。     

稠环电子受体光伏材料

基于非富勒烯受体的有机太阳能电池是化学和材料领域的热点前沿之一,中国领跑这个热点前沿.中国学者在非富勒烯受体材料方面取得了一系列重要的创新成果.我们提出了"稠环电子受体(FREA)"这一新概念,构建了高性能稠环电子受体新体系,发明了明星分子ITIC.我们的原创性工作引起了国内外同行的广泛关注和跟进.目前,基于稠环电子受体的有机太阳能电池效率已达到13%~14%,超过富勒烯体系.ITIC等稠环电子受体的出现颠覆了富勒烯受体在有机太阳能电池领域的统治地位,开创了有机太阳能电池的非富勒烯时代.本文简要评述了我们在高性能稠环电子受体设计与器件应用中的研究进展,并展望稠环电子受体的未来发展.     

非富勒烯类有机小分子受体材料

在本体异质结太阳能电池的研究过程中,异质结活性层材料的发展一直是最基本最核心的部分,活性层材料包括给体材料和受体材料,其中给体材料的研究一直占据着主导地位,很多课题组报道的器件效率已经超过8%;而受体材料的研究却相对单一,大部分研究都围绕富勒烯及其衍生物.近年来非富勒烯类的有机小分子受体材料由于其易于合成与纯化、通过分子设计使能级更方便调节等优点引起了人们的广泛关注并且取得了很大进展,目前以它作为受体材料的电池效率可以达到4%.综述了近年来几类非富勒烯类有机小分子受体材料的研究进展,包括它们的分子设计及其在光伏器件中的应用,最后我们讨论了提高非富勒烯类的有机小分子受体材料器件性能的关键因素及其研究前景.     

基于萘二酰亚胺受体单元的n-型聚合物受体材料在光电领域的研究进展

近年来,n-型聚合物受体材料逐步在有机光电器件领域,尤其是全聚物太阳能电池领域,得到了广泛的研究。目前,报道较多的具有高的电荷迁移率和电子亲合性的n-型聚合物主要是基于萘二酰亚胺(NDI)的n-型聚合物受体材料,这类基于NDI的n-型聚合物材料表现出比富勒烯衍生物受体材料更好的热/机械性能及太阳光吸收,同时可以灵活的调节包括光学性能、电子结构、结晶性、溶解性和电荷传输等不同的内在特性从而提高器件的性能。本文根据聚合物结构组成的不同,归纳了近年来基于萘二酰亚胺的D-A聚合物受体材料的研究进展,详细描述了其相对应的给体材料和器件结构及后处理条件对器件性能的影响。同时,总结评述了针对基于萘二酰亚胺的D-A聚合物作为受体材料的全聚物太阳能电池器件工艺条件,最后展望了基于萘二酰亚胺的D-A聚合物应用在全聚物太阳能电池领域的发展前景。     

十年磨一剑：专访非富勒烯受体的先驱者占肖卫教授

<正>自从1995年首次报道本体异质结有机太阳能电池以来,在近二十年时间里,富勒烯衍生物已成为最广泛使用的电子受体,非富勒烯受体的器件效率远远低于富勒烯衍生物。而富勒烯太阳光吸收弱、能级调控难、生产成本高、形貌稳定性差的缺点,限制了有机太阳能电池领域的可持续发展。2015年以来,非富勒烯受体领域不断取得突破,器件效率从低于7%快速提升到高于17%,并大大超过富勒烯受体,使人们看到了有机太阳能电池的巨大潜力,吸引了国际学术界越来越多的研究力量投入到非富勒烯     

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。     

基于非共价相互作用的非富勒烯受体光伏材料研究进展

有机太阳能电池由于制备简单、成本低,而且易于制备大面积柔性电池,因而受到了研究人员的广泛关注.非富勒烯受体材料因具有合成相对简单、易于纯化、能级和带隙可调等优点,极大地促进了有机太阳能电池效率的提高.基于非富勒烯受体材料的太阳能电池已经成为目前有机太阳能电池的研究热点之一,而具有分子内非共价键相互作用的受体材料是非富勒烯受体体系的重要组成部分.通过引入O、F、N、Se等杂原子,形成分子内非共价键相互作用,可以有效提高非富勒烯受体材料的平面性和电荷迁移率,降低光学带隙并拓宽吸收光谱,从而进一步提高太阳能电池的光伏性能.本文介绍了近几年来基于分子内非共价键相互作用的聚合物和小分子非富勒烯受体材料的研究进展,并展望了其发展趋势和应用前景.     

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.     

基于非富勒烯电子受体的半透明有机太阳能电池

半透明有机太阳能电池以其独特的光电特性在建筑集成光伏上具有广阔的应用前景。非富勒烯小分子受体近几年发展十分迅速。其中,基于非富勒烯小分子受体的半透明有机太阳能电池具有较高的光电转换效率和平均可见光透过率,因而得到了广泛关注。本文总结了近几年来非富勒烯受体型半透明有机太阳能电池的最新研究进展,探究活性层材料设计及器件构型优化对半透明有机太阳能电池的影响,希望为半透明有机太阳能电池在今后研究中新材料体系的优选提供一定的参考。     

P3HT/非富勒烯受体异质结有机太阳电池

非富勒烯受体材料在分子设计、光吸收及能级等多方面具有极其丰富的可调控性, 使得基于非富勒烯电子受体的本体异质结有机太阳电池(BHJ OSC) 近年得以迅速发展。P3HT聚合物作为被广泛研究的第二代有机半导体材料, 其价格便宜、具有较好的结晶性以及优异的载流子传输性能, 是经典的电子给体材料。本文综述了近年来以P3HT聚合物为给体、非富勒烯类有机化合物为电子受体的有机太阳电池研究进展, 探讨了P3HT/非富勒烯受体BHJ OSC中, 影响器件效率提升的关键因素, 以及电子受体优化设计方面的相应要求。对基于P3HT/非富勒烯受体 BHJ OSC器件的研究前景进行了展望。     

支链带有富勒烯的聚噻吩和齐聚噻吩及其光伏电池研究进展

可溶性聚噻吩和富勒烯(主要是C60)及其衍生物,是聚合物太阳能电池中被广泛使用的给体和受体材料,它们之间的相容性和富勒烯的聚集效应对于太阳能电池能量转换效率有很大影响。将富勒烯与聚噻吩通过共价键连接在一起,可解决它们的共混膜中的相分离问题,有望提高器件效率,是未来有机和聚合物光伏材料研究的一个重要方向。本文按主链是聚噻吩或齐聚噻吩将这种连有富勒烯的材料分为两类,介绍了这些材料的合成方法、电化学性质及基于这些材料的太阳能电池器件近几年来的研究进展。     

高性能有机稠环电子受体光伏材料

正聚合物太阳能电池一般由氧化铟锡(ITO)透明正极、金属负极和夹在两电极之间的共混活性层所构成,具有结构和制备过程简单、成本低、重量轻、可制备成柔性和半透明器件等突出优点,近年来成为国内外研究热点.活性层是聚合物太阳能电池最重要的组成部分,通常由p-型共轭聚合物给体和n-型半导体受体材料组成.富勒烯衍生物是最为广泛使用的n-型受体材料.然而,富勒烯受体存在一些缺点,如     

酰亚胺和酰胺类非富勒烯型小分子受体材料研究进展

近年来,非富勒烯型电子受体材料因具有能级可调、吸收较宽、合成简便、加工成本低、溶解性好等优点,引起了科学家的广泛关注.目前,非富勒烯型光伏器件的效率最高已经超过了8%,与富勒烯型的光伏器件的效率差距正在逐步缩小.本文综述了近几年来酰亚胺和酰胺类非富勒烯型小分子受体材料的研究进展,并对提高非富勒烯型受体材料的能量转化效率的途径进行了探讨.     

有机太阳能电池性能衰减机理研究进展

近年来随着非富勒烯Y系列明星分子受体的出现, 单结有机太阳能电池的光电转换效率已经突破19%, 但是器件在运行条件下缺乏良好的稳定性, 严重制约了其商业化发展. 因此越来越多的研究聚焦于造成有机太阳能电池性能衰减的原因以及如何提高有机太阳能电池的稳定性. 由于有机太阳能电池复杂的器件结构、不尽相同的活性层材料以及在稳定性研究中条件的差异, 造成了对有机太阳能电池器件衰减研究的困难. 为了更全面地了解有机太阳能电池的衰减过程, 对近些年有机太阳能电池器件衰减过程的研究成果进行综述, 总结了由于给受体材料化学分解、活性层形貌变化、传输层和电极腐蚀以及界面反应等原因造成的器件性能衰减, 并介绍了近些年关于提高器件稳定性的一些策略, 最后对有机太阳能电池的未来发展进行了展望.     

非富勒烯电子受体多尺度分子聚集体

有机太阳能电池的光活性层由p型电子供体和n型电子受体构成.这些有机半导体分子的共轭结构和杂元素使其分子间存在强非共价键作用,易于自组装形成分子聚集体,展现出与单个分子截然不同的光电性能,更决定了太阳能电池光吸收、激子解离和电荷传输等光电转换过程.本文介绍了n型非富勒烯电子受体材料在分子及微纳尺度下的多级聚集体形态,包括强结晶性非富勒烯受体的堆叠、成核、结晶机制与抑制手段,以及弱有序非富勒烯受体无规聚集及有序性提升策略.最后,重点讨论了非富勒烯电子受体纤维化的研究进展及关键技术,并对未来高性能非富勒烯电子受体的结构设计和聚集调控进行了总结和展望.     

第三组分端基对非富勒烯有机太阳能电池性能的影响

<正>有机聚合物太阳能电池具有成本低、重量轻、半透明、制作工艺简单、可制备大面积柔性器件等突出优点,成为近年来的研究热点之一~1。有机太阳能电池活性层由电子给体和电子受体组成,通常采用本体异质结结构~2。富勒烯电子受体及其衍生物如[6,6]-苯基-C_(61)-丁酸甲酯(PC_(61)BM)和[6,6]-苯基-C_(71)-丁酸甲酯(PC_(71)BM)具有电子迁移     

高色纯度的红色掺杂型电致发光材料的合成及其性能研究

以吡喃腈作为电子受体、吲哚啉作为电子给体单元, 合成了一种吲哚啉衍生物DADIN作为高色纯度的红色掺杂型电致发光材料, 并对其溶液特性和有机电致发光器件性能进行了研究. 相对于柯达公司经典掺杂型红色发光材料DCJTB, 该发光材料的合成简单、提纯工艺易行、产率高, 并具有更纯正的红色发光. 研究表明, 以DADIN作为掺杂型电致发光材料的有机电致发光器件的电流效率是DCJTB的1.5倍, 实为DCJTB理想的替代品.     

基于非富勒烯受体的溶液加工型全小分子太阳能电池研究进展

有机太阳能电池(OPV),具有质量轻、可成本低制备等优势,是一种具有实际应用潜力的光伏技术。有机太阳能电池活性层可以由共轭聚合物或溶液可加工的小分子材料(给体与受体)共混组成。由于小分子材料具有明确的分子结构,纯度可控及无批次差别影响的特点;并结合近年来非富勒烯小分子受体的快速发展,使得非富勒烯全小分子(NF-SM-OPV)电池研究受到广泛关注。由于大部分A-D-A型非富勒烯受体分子具有各向异性的特点,这使激子解离和电荷传输,很大程度上受分子间堆积方式的影响,导致非富勒烯全小分子电池活性层形貌调控更加复杂。虽然非富勒烯小分子太阳能电池具有非富勒烯受体材料和小分子材料的双重优势,但高效率非富勒烯小分子太阳能电池的制备,仍具有很大挑战。因此,本文总结近年来高性能非富勒烯小分子太阳能电池的相关进展。着重介绍针对非富勒烯受体的给体小分子材料设计工作,并在此基础上近一步讨论非富勒烯小分子太阳能电池面临的挑战与展望。     

非富勒烯类有机小分子受体材料

富勒烯及其衍生物因具有多维电荷传输特性和与给体材料形成独特的相分离结构等特点,在有机光伏领域占据主导地位。然而,富勒烯类受体材料本身也有一些难以克服的缺点,如可见光范围内吸收能力弱、修饰困难、成本高等,进而限制了器件性能的提高和规模化使用。非富勒烯类小分子受体材料的研究引起越来越多的重视。研究者可借助丰富的化学手段,设计合成出具有特定聚集态形貌和优异性能的有机小分子及其寡聚物。本文总结了近几年关于苝四甲酰二亚胺类、吡咯并吡咯二酮类、苯并噻二唑类等几类性能相对优异的非富勒烯类有机小分子受体材料的最新研究进展,从分子结构上对其性能进行了剖析,对高性能受体材料的设计合成具有一定的指导意义。最后,讨论了提高非富勒烯类有机小分子受体材料器件性能的主要因素及其研究前景。     

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.