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。     

吡咯并吡咯二酮与低聚噻吩共聚物电荷传输性质的理论研究

利用密度泛函理论对吡咯并吡咯二酮(DPP)与噻吩形成共聚物的低聚物(PDPP-n T)m的电子结构及二体堆积模型的电荷传输性质进行计算.结果表明,随着聚合物单元内DPP浓度增加,噻吩数减少,聚合物分子的HOMO和LUMO能级同时降低,并且HOMO-LUMO带隙变小;链内相邻DPP单元的电子波函数有效重叠增大,显著改善了链内的电子传输能力;同时分子主链的刚性增强,使分子链间LUMO轨道重叠增强,电子转移积分增大;最终体系由p型向双极性材料转化.     

基于Cz-DPP不对称D-A结构新型有机小分子光伏材料的合成与性质

本文设计合成了一系列以咔唑(CZ)和吡咯并吡咯二酮(DPP)为基本结构单元的D-A结构的新型小分子材料,并对其进行了一系列的性能表征.合成的材料以咔唑作为给电子单元,吡咯并吡咯二酮作为吸电子单元,采用三键作为π桥,并引入4-氟苯基、4-氰基苯基和4-甲氧基苯基作为末端取代基团对材料进行修饰.其中材料CZBTDPPF和CZBTDPPO因分别具有1.85和1.79 eV的较窄带隙而分别获得了相对较高的的光电转化效率(1.97%和1.91%).由此可见,引入4-氟苯基和4-甲氧基苯基作为末端取代基团对于延长材料共轭结构、拓宽材料吸收从而实现材料光伏性能的提升具有重要的作用.     

非富勒烯聚合物太阳电池研究进展

综述了以p-型共轭聚合物为给体、n-型有机半导体为受体的非富勒烯聚合物太阳电池光伏材料最新研究进展,包括n-型共轭聚合物和可溶液加工小分子n-型有机半导体(n-OS)受体光伏材料,以及与之匹配的p-型共轭聚合物给体光伏材料.介绍的n-型共轭聚合物受体光伏材料包括基于苝酰亚胺(BDI)、萘酰亚胺(NDI)以及新型硼氮键连受体单元的D-A共聚物受体光伏材料,目前基于聚合物给体(J51)和聚合物受体(N2200)的全聚合物太阳电池的能量转换效率最高达到8.26%.n-OS小分子受体光伏材料包括基于BDI和NDI单元的有机分子、基于稠环中心给体单元的A-D-A型窄带隙有机小分子受体材料等.给体光伏材料包括基于齐聚噻吩和苯并二噻吩(BDT)给体单元的D-A共聚物,重点介绍与窄带隙A-D-A结构小分子受体吸收互补的、基于噻吩取代BDT单元的中间带隙二维共轭聚合物给体光伏材料.使用中间带隙的p-型共轭聚合物为给体、窄带隙A-D-A结构有机小分子为受体的非富勒烯聚合物太阳电池能量转换效率已经突破12%,展示了光明的前景.最后对非富勒烯聚合物太阳电池将来的发展进行了展望.     

基于噻咯的聚合物给体光伏材料

聚合物太阳能电池由于具有结构简单、成本低、重量轻和可制成柔性器件等突出优点,近几年受到了越来越多的关注。但是,与传统的无机硅系太阳能电池相比,较低的能量转换效率一直是制约其发展的瓶颈。近年来大量的研究显示,噻咯结构单元被引入给-受体(D-A)型共轭聚合物光伏材料中,能有效地改善相应聚合物的结晶性能,并调节其能级结构(HOMO/LUMO),从而显著改善聚合物的光伏性能。本文综述了含有噻咯环的低能隙共轭聚合物给体光伏材料的研究进展,重点介绍了含有二噻吩并噻咯单元的窄带隙D-A共轭聚合物的最新研究,并进一步提出了给体材料的研究方向以及有待解决的问题。     

具有高短路电流特性的D-A共聚物给体材料的理论研究北大核心CSCD

针对目前本体异质结有机太阳能电池活性层使用的给-受体(D-A)共聚物,研究对D-A给体材料的选取是设计高效有机太阳能电池的关键问题。本文分别选取了10种D单元和A单元,采用第一性原理密度泛函方法,研究了D、A单元及其相应共聚物结构和能隙的变化。结果表明:噻吩环稠合时噻吩环的个数、噻吩环与苯环稠合时苯环的个数都可以有效地调制能隙的大小;同时结构中噻吩环上S原子的位置对带隙也有一定影响。在此基础上,选取噻吩并[3,4-b]噻吩D2、双噻吩锗D6和吡咯并吡咯二酮A4为单体的三种带隙值较小的聚合物,研究了三种高短路电流给体材料P_1(PDTG-PT)、P_2(PNTz4T)、P_3(DPPTT-T)的电子结构特性。通过分析其分子链构象、Bader电荷转移和形成能,表明它们是高短路电流有机太阳能电池D-A型给体材料的理想选择。本研究为设计高短路电流有机太阳能电池D-A型给体材料提供了有价值的指导。     

具有高短路电流特性的D-A共聚物给体材料的理论研究

针对目前本体异质结有机太阳能电池活性层使用的给-受体(D-A)共聚物,研究对D-A给体材料的选取是设计高效有机太阳能电池的关键问题。本文分别选取了10种D单元和A单元,采用第一性原理密度泛函方法,研究了D、A单元及其相应共聚物结构和能隙的变化。结果表明:噻吩环稠合时噻吩环的个数、噻吩环与苯环稠合时苯环的个数都可以有效地调制能隙的大小;同时结构中噻吩环上S原子的位置对带隙也有一定影响。在此基础上,选取噻吩并[3,4-b]噻吩D2、双噻吩锗D6和吡咯并吡咯二酮A4为单体的三种带隙值较小的聚合物,研究了三种高短路电流给体材料P_1(PDTG-PT)、P_2(PNTz4T)、P_3(DPPTT-T)的电子结构特性。通过分析其分子链构象、Bader电荷转移和形成能,表明它们是高短路电流有机太阳能电池D-A型给体材料的理想选择。本研究为设计高短路电流有机太阳能电池D-A型给体材料提供了有价值的指导。     

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).     

含噻吩窄带隙共轭聚合物类太阳能电池材料的研究进展

含噻吩的窄带隙共轭聚合物类太阳能电池材料因其良好的稳定性和可加工性,已成为新型太阳能电池的研究热点。本论文主要介绍了用于太阳能电池的窄带隙共轭聚合物研究进展,按其结构特征分为烷基/烷氧基取代聚噻吩、含苯基聚噻吩、基于噻吩并吡嗪的共聚物、基于噻吩并噻唑的共聚物、基于噻吩并吩噻嗪的共聚物、基于烷基芴的共聚物以及其它种类的窄带隙的共轭聚合物,并对它们的结构特点、光学带隙、合成方法进行了归纳与总结。本文最后简要介绍了该研究领域目前所面临的一些问题,同时讨论了该类材料在此领域今后的发展趋势。     

从导电聚吡咯到共轭聚合物光伏材料——我在中科院化学所30年共轭高分子研究历程

本文简要回顾了本人在中科院化学所30年的研究历程,重点介绍了在共轭高分子(包括导电聚吡咯电化学、聚合物发光电化学池(LEC)和共轭聚合物给体光伏材料)方面的研究成果。在导电聚吡咯电化学方面,对导电聚吡咯的电化学制备和电化学性质进行了深入研究,阐明了各种电化学聚合条件对制备的导电聚吡咯电导和力学强度等的影响,发现电解液溶剂给电子性(Donor number)对吡咯电化学聚合制备的导电聚吡咯电导的影响:溶剂Donor number越小制备的导电聚吡咯电导越高;使用非离子表面活性剂添加剂在水溶液中制备出表面非常光滑和高力学强度的导电聚吡咯薄膜;对于吡咯电化学聚合提出了电解液阴离子参与的阳离子自由基聚合机理,并推到出吡咯电化学聚合反应的动力学方程;发现在NaNO3水溶液中电化学聚合制备的导电聚吡咯除存在主链氧化、对阴离子掺杂结构外,还存在质子酸掺杂结构;阐明了导电聚吡咯在水溶液中电化学还原和再氧化的机理及其电化学过程的可逆性和稳定性,以及导电聚吡咯在有机电解液中特殊的第一次还原和再氧化的机理。在LEC方面,通过交流阻抗法确认了LEC的电化学掺杂机理和p-i-n结构,合成了多种适用于LEC的主链带离子导电单元的兼具离子导电性的发光嵌段共聚物,避免了LEC活性层中存在的发光聚合物和离子导电聚合物的分相问题;使用离子液体作为电解质制备了室温准冷冻p-i-n结LEC,改善了LEC的电致发光性能。在共轭聚合物给体光伏材料方面,我们提出了通过共轭侧链来拓宽聚合物吸收和提高空穴迁移率的分子设计思想,设计和合成了一系列带共轭侧链的二维共轭聚噻吩衍生物以及基于二噻吩取代苯并二噻吩的窄带隙高效二维共轭聚合物给体光伏材料。我们使用烷硫基取代进一步降低了这类二维共轭聚合物的HOMO能级从而进一步提高了其光伏性能。最后介绍了本组二维共轭聚合物给体光伏材料在非富勒烯聚合物太阳能电池方面的最新研究进展。     

基于吡咯并吡咯二酮和苯并噻二唑聚合物的合成及其近红外电致变色性能

给-受体型窄带隙聚合物是一类新型可见-近红外电致变色材料,虽然可调性强、颜色丰富,但是其电致变色性能如对比度、稳定性等需要进一步提高。 通过调节聚合物中构筑单元吡咯并吡咯二酮(DPP)、苯并噻二唑(BTZ)和噻吩(T)的比例(n(DPP):n(BTZ):n(T)分别为1:0:1、1.5:0.5:1、2:1:1和3:2:1),合成了4种新型窄带隙电致变色聚合物,研究聚合物结构和电致变色性能的关系。 研究发现,这类聚合物在近红外光谱区具有较高的对比度(ΔT:50%60%)和变色效率(CE:300600 cm²/C),尤其是在1550 nm处,聚合物P3的ΔT高达63%、P4的CE高达471 cm²/C。 相比之下,含有BTZ基团的聚合物的吸收更长、对比度更高且更稳定。 这为设计给-受体型高性能电致变色聚合物提供了新的思路。     

基于苯并二噻吩和吡咯并吡咯二酮共聚物的有机太阳能电池给体材料光伏性质理论研究

设计和合成结构新颖的聚合物太阳能电池给体材料是有机电子学的热点研究领域. 首先利用二噻吩取代的苯并二噻吩(DBDT)作为富电子结构单元, 吡咯并吡咯二酮(DPP)作为缺电子单元构筑了一种新的聚合物太阳能电池电子给体材料(PDBDTDPP), 然后以[6,6]-苯基-C₆₁-丁酸甲酯(PC₆₁BM)作为电子受体, 借助密度泛函理论(DFT)方法结合不相干的Marcus-Hush电荷传输模型, 系统研究了PC₆₁BM-DBDTDPP_n=1,2,3,∞体系的分子结构、电子性质、光吸收性质、电荷转移的内重组能和外重组能、激子结合能、电荷传输积分、给体-受体界面上激子分离和电荷复合速率等性质, 并利用线性回归方法分析了聚合物重复单元与其光伏性质的关系. 结果表明, 该聚合物具有较好的平面结构, 低的最高占据分子轨道(HOMO)能级, 在紫外-可见区具有宽且强的光学吸收、较大的激子束缚能(1.365 eV), 小的激子分离内重组能(0.152 eV)和电荷复合内重组能(0.314 eV). 在给体-受体界面上, 激子分离速率高达1.073×10¹⁴ s^-1, 而电荷复合速率仅为1.797×10⁸ s^-1. 相比较而言, 激子分离速率比电荷复合速率高约6个数量级, 表明在给体-受体界面上, 光生激子具有很高的分离效率. 总之, 研究证明PDBDTDPP是一个非常有前途的聚合物太阳能电池给体材料, 值得实验上进一步合成及器件化研究. 理论研究不仅有助于更深入理解有机化合物结构与其光学、电子性质之间的关系, 还可以为合理设计聚合物太阳能电池给体材料提供有价值的参考.     

基于二酮基吡咯并吡咯的π-共轭分子的有机太阳能电池给体材料的设计与理论研究

本文设计了系列基于二酮基吡咯并吡咯(DPP)的有机小分子太阳能电池(OSCs)给体材料.设计的分子结构中，2个DPP分子片段作为2个端基通过不同的芳香杂环π-桥相连接.利用密度泛函理论和含时密度泛函理论方法研究了所设计化合物的电子和光学性质.研究结果表明，在分子中引入不同的π-桥可以有效调节设计分子的前线分子轨道能量、能隙和吸收光谱，但是对几何结构影响很小.所设计化合物1-8均在近红外光谱区具有强吸收和窄能隙，这有利于提高有机太阳能电池的短路电流和光吸收效率.前线分子轨道分析发现，化合物1-8具有较低的最高占据轨道能级，可提高有机太阳能电池的开路电压.化合物1-3,5和7的前线分子轨道能级与典型富勒烯受体材料相匹配，可选用PCBM,bisPCBM和PC₇₁BM作为受体材料；而化合物4,6和8则应考虑选用其他的太阳能电池受体材料.结果表明，所设计的分子可作为性能优良的OSCs给体材料，为开发和利用太阳能电池给体材料提供理论依据.     

供体-受体型共轭聚合物电子结构和导电性能的理论设计

以苯并[1,2-c:4,5-c']二[1,2,5]噻重氮和吡嗪并[2,3-g]喹喔啉为电子受体(A),噻吩、噻吩并[3,2-b]噻吩和二噻吩并[2,3-b:2',3'-d]噻吩为电子供体(D),设计了6种D-A型共轭聚合物.采用B3LYP方法,研究了这6种聚合物的几何结构和电子性质.D-A型共轭聚合物的几何结构和电子结构与电子供体和电子受体的性质,特别是与其提供电子和接受电子的能力密切相关.聚合物的能隙主要受键长交替控制,键长交替越小,能隙越窄.所设计的6种聚合物中,p-BBT-TT具有较窄的能隙(0.48 eV)、较小的载流子有效质量和相对较大的能带宽度,具备理论上的良好导电性能,可能是潜在的优良导电聚合物材料.     

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。     

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.     

二噻吩并吡咯-苯并噻二唑D-A型共轭齐聚物的合成、表征及其在体相异质结太阳能电池中的应用

以二噻吩[3,2-b:2',3'-d]并吡咯为电子给体单元、2,1,3-苯并噻二唑为电子受体单元.通过Stille偶联反应合成了4个含不同烷基取代基的给体-受体(D-A)型共轭齐聚物,即O-D3,O-D2P1,O-D1P2和O-P3,它们分别含有3～0个正十二烷基(D=dodecyl)和0～3个支化烷基链戊基己基(P=...     

基于1,2,4-三氮唑衍生物的共轭聚合物的合成及其光伏性能

以缺电子的1,2,4-三氮唑衍生物作为拉电子结构单元(A), 以富电子的噻吩或苯并二噻吩衍生物作为推电子结构单元(D), 通过Stille偶联聚合的方法, 合成了三种主链型D-A(推-拉电子结构)的交替共聚物PT-TZ, PB-TZ和PB-TTZT. 不同富电子结构单元可使其聚合物表现出不同的光物理性能和光伏性能. 嵌入较多的噻吩单元, 可有效增大聚合物主链的共轭长度, 拓宽其吸收光谱, 因此, 聚合物PB-TTZT的光伏性能明显优于另外两种聚合物. 以三种聚合物分别作为给体材料, 以PC₆₁BM作为受体材料, 制备了聚合物太阳能电池(PSCs), 其中, 基于PB-TTZT的PSCs器件在AM 1.5 G模拟太阳光条件下的光电转换效率为1.18%.     

新型苯并二吡咯酮与苯并二噻吩衍生物的共聚及性能研究

以苯并二吡咯酮（BDP）类衍生物为电子受体单元,噻（硒）吩修饰的苯并二噻吩（BDT）类作为电子给体单元,通过钯催化Stille缩聚反应合成了3种新型的给体-受体（D-A）共聚物PBDP-BDT(T), PBDP-BDT(Se), PBDP-BDTT(T),并采用核磁共振、凝胶渗透色谱、紫外-可见分光光度计、循环伏安法,热重分析对3种聚合物的结构和性能进行了表征。结果表明：3种聚合物紫外可见吸收范围为250～1200 nm,其能量最低的吸收峰分别位于680 nm, 722nm, 744 nm;起始氧化电位分别为0.90 eV, 0.73 eV, 0.75 eV,由此估算出其电化学能隙分别为1.72eV,1.47 eV,1.40 eV,显示出较窄的能隙特征。此外,聚合物还具有较好的热稳定性。      

基于吡咯并吡咯二酮的二元和三元共轭聚合物的光电性能研究

设计合成了基于吡咯[3,4-c]并吡咯二酮(DPP)和烷氧基苯的二元共轭聚合物P1,并通过聚合中分别引入缺电子性第三单体二氟代苯并噻二唑(DFBT)和萘二酰亚胺(NDI),进一步得到三元聚合物P2和P3.结果显示,缺电子第三单体的设计引入能调节聚合物的吸光、能级并改变聚合物在薄膜状态下的聚集行为,从而影响材料的聚合物太阳能电池光电转换效率和有机场效应晶体管电荷迁移率,采取face-on聚集取向的P1在太阳电池中表现更好,而edge-on取向的P2则在晶体管中表现出更高的空穴迁移率.