基于1,8-萘酰二胺的具有近红外吸收的π-共轭有机太阳能电池给体材料的分子设计

为了提高有机太阳能电池(Organic solar cells, OSCs)给体材料的光吸收效率,本文设计了系列以噻吩异靛蓝分子片段为中心,不同芳香杂环为π-桥,1,8-萘酰二胺(1,8-Naphthalimide, NI)分子片段为端基的新型π-共轭化合物作为有机太阳能电池给体材料.利用量子化学中的密度泛函理论和含时密度泛函理论方法,对所设计的化合物的光学和电子性质进行了研究,探究分子结构与光谱和电子性质之间的联系.计算结果表明,通过在母体化合物中引入不同的π-桥,可以有效调节所设计分子的前线分子轨道能级、能隙和光谱性质.但是,其对设计分子的几何结构影响不大.设计的化合物分子均具有窄的能隙,在可见光和近红外光谱(NIR)区都有强吸收,这有利于提高有机太阳能电池光吸收效率.前线分子轨道能级分析发现,部分设计的化合物能级与典型富勒烯受体材料相匹配,可选用传统PCBM,bisPCBM和PC₇₁BM作为受体材料,另一部分设计化合物,则应考虑选用其他的太阳能电池受体材料.研究结果表明,本文所设计的化合物可作为具有红光或NIR区有强吸收的高效太阳能电池给体材料应用于太阳能电...     

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（英文）

与富勒烯受体材料相比,非富勒烯受体材料具有更强光吸收、可调的带隙和前沿电子轨道能级等优点。本工作中,我们将报道新型含萘并二噻吩小分子受体材料的设计与合成。该材料的吸电子端基与稠环核之间含有一个噻吩桥,因此与不含噻吩桥的同类受体材料相比,该分子(DTNIT)具有更窄的带隙,能与经典的宽带隙聚合物给体PBDB-T实现更好的吸收互补。基于PBDB-T:DTNIT的聚合物太阳能电池实现了0.91 V的开路电压、增大的短路电流(14.42 mA?cm~(-2)),以及7.05%的光电转换效率。该光电转换效率接近于基于PBDB-T:PC71BM的倒置聚合物太阳能电池的效率(7.12%)。该工作不仅报道了一个新型高效非富勒烯受体的合成方法,同时提供了一种非富勒烯受体材料的能级调控策略。     

基于分子内非共价相互作用构建非富勒烯受体材料的研究进展*

非富勒烯稠环电子受体因具有易调控的分子结构、宽且强的光谱吸收及较高的光电转换效率吸引了科研人员的广泛的研究兴趣。非富勒烯稠环电子受体分子的中心给电子单元一般为较大的共轭稠环平面结构,这类稠环结构通常是经过多步反应得到,包括合成成本高、难度大且产率低的关环反应过程。研究人员在分子中引入带有O、F、N、Se等杂原子单元, 利用分子内非共价键相互作用来锁定分子骨架得到类似稠环结构的非共价稠环电子受体材料,减少合成过程中关环反应的使用,使得合成更容易,成本更低;利用分子内的非共价相互作用可以增强分子平面性,拓展吸收光谱,降低材料的制备成本。综述了近年来利用分子内非共价键相互作用合成非富勒烯受体材料及其在有机太阳能电池中应用的研究进展, 并展望了其发展趋势和应用前景。     

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.     

基于卟啉小分子给体与双组分富勒烯受体的高效三元有机太阳能电池（英文）

最近,有机太阳能电池中三元策略的出现使得高能量转化效率和简便的器件制备方式有望同时实现.大量实验证明,通过构造三元有机太阳能电池可以实现吸光互补以提高电流或者在能级间形成级联以提高开压.设计并合成了以并噻吩取代卟啉为核,通过炔键连接二酮吡咯并吡咯末端基团的新分子,命名为DEP-TT,该分子有较小的能带间隙(1.31 eV),光谱吸收可达898 nm.以该卟啉分子为给体,富勒烯PC71BM为受体制备双组分有机太阳能电池,效率可达7.46%,但开压相对较低(0.75 V).进一步研究发现,加入10%的富勒烯衍生物ICBA制备三元有机太阳能电池,效率可增大至8.15%,这是基于卟啉小分子为给体的有机太阳能电池取得相对较高效率的器件之一.由于PCBM和ICBA两组分间形成级联能级和协同作用,器件效率明显提高,这意味着三元有机太阳能电池的构建可以同时提高开压和电流,从而实现器件效率的全面提高.     

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.     

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。     

卟啉化合物在有机染料敏化太阳能电池中的应用研究

卟啉化合物具有共轭的平面结构、良好的电子缓冲性和光电磁性,特别在可见光区和近红外区域具有优越的光捕获特性。近年来,卟啉类化合物以其优异的特性在有机太阳能电池领域,尤其是染料敏化太阳能电池中得到了广泛的应用研究。人们通过对卟啉分子进行改性来提高相应的太阳能电池效率,比如增加分子的共轭度、在分子上引入长烷基链、引入功能化小...     

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。     

非富勒烯小分子有机太阳能电池电子受体材料的研究进展

富勒烯及其衍生物是一类重要的n-型电子受体材料,在有机太阳能电池器件中发挥了至关重要的作用. 但由于富勒烯材料吸光波长较窄、亲和能高、溶解性差等,严重限制了富勒烯作为有机太阳能电池n-型电子受体材料的更广泛应用和器件性能的进一步提升. 非富勒烯n-型电子受体材料具有能级可调、合成简便、加工成本低、溶解性能优异等特点,更重要的是,此类材料在可见太阳光光谱中比富勒烯及其衍生物材料有更加宽广的吸收范围;近年来,受到越来越多的关注和研究. 本文较为系统地阐述了非富勒烯小分子材料作为有机太阳能电池n-型电子受体材料的研究进展,并对其发展前景作了展望.     

A near-infrared porphyrin-based electron acceptor for non-fullerene organic solar cells

A star-shaped electron acceptor with porphyrin as core and rhodanine-benzothiadiazole as end groups linked with ethynyl units was developed for non-fullerene solar cells, in which a PCE of 1.9% with broad photo response was achieved when combining with a diketopyrrolopyrrole-polymer as electron donor.     

带有噻吩侧基的有机硼小分子电子受体光伏材料

有机小分子电子受体材料的侧基能够影响异质结有机太阳能电池的给体/受体匹配和器件性能。我们设计并合成了一个硼原子带有噻吩侧基的有机硼小分子(MBN-Th)。该分子的LUMO离域在整个骨架上,HOMO定域在中心核上,其独特的电子结构使该分子具有两个强的吸收峰(波长分别为490和726nm),因此分子具有宽的吸收光谱和强的太阳光吸收能力。与苯基侧基相比,噻吩侧基使分子的HOMO能级下移0.1 eV,LUMO能级保持不变,进而引起分子带隙减小和吸收光谱蓝移20nm。基于该有机硼小分子受体材料的异质结有机太阳能电池,实现了4.21%的能量转化效率和300–850nm的宽响应光谱。实验结果表明,硼原子上的噻吩侧基是调控有机硼小分子光电性质的有效方法,可以用于有机硼小分子受体材料的设计。     

A Near-infrared Non-fullerene Acceptor with Thienopyrrole-expanded Benzo[1,2-b:4,5-b′]dithiophene Core for Polymer Solar Cells

A near-infrared non-fullerene acceptor(NFA) BDTIC, based on thienopyrrole-expanded benzo[1,2-b:4,5-b′]dithiophene unit(heptacyclic S,N-heteroacene) as core, is designed and synthesized. The aromatic pyrrole ring with strong electron-donating ability in the core enhances the intramolecular charge transfer effect, finely tunes the optical bandgap and absorption profile of BDTIC, and thus results in a narrowed optical bandgap(E_g~(opt)) of 1.38 eV and a near-infrared absorption to 900 nm. When BDTIC is paired with donor polymer PBDB-T to fabricate organic solar cells, the optimized device achieves a best power conversion efficiency of 12.1% with a short-circuit current density of 20.0 mA·cm~(-2) and an open-circuit voltage of 0.88 V. The photovoltaic performance benefits from the broad absorption, weak bimolecular recombination, efficient charge separation and collection, and favorable blend morphology. This work demonstrates that thienopyrroleexpanded benzo[1,2-b:4,5-b′]dithiophene unit(heptacyclic S,N-heteroacene) is a promising building unit to construct high-performance NFAs by enhancing the intramolecular charge transfer effect, broadening absorption as well as maintaining good intermolecular stacking property.     

An Electron Acceptor with Porphyrin and Perylene Bisimides for Efficient Non‐Fullerene Solar Cells

A star‐shaped electron acceptor based on porphyrin as a core and perylene bisimide as end groups was constructed for application in non‐fullerene organic solar cells. The new conjugated molecule exhibits aligned energy levels, good electron mobility, and complementary absorption with a donor polymer. These advantages facilitate a high power conversion efficiency of 7.4 % in non‐fullerene solar cells, which represents the highest photovoltaic performance based on porphyrin derivatives as the acceptor.     

Ethynyl-linked perylene bisimide based electron acceptors for non-fullerene organic solar cells

Star-shaped electron acceptors based on perylene bisimide as end groups and spiro-aromatic core linked with ethynyl units were developed for nonfullerene solar cells. Ethynyl linkers are able to improve the planarity of conjugated backbone, resulting in enhanced electron mobility and power conversion efficiency in solar cells.     

Benzothiadiazole-based Conjugated Polymers for Organic Solar Cells

Benzothiadiazole(BT) is an electron-deficient unit with fused aromatic core, which can be used to construct conjugated polymers for application in organic solar cells(OSCs). In the past twenty years, huge numbers of conjugated polymers based on BT unit have been developed,focusing on the backbone engineering(such as by using different copolymerized building blocks), side chain engineering(such as by using linear or branch side units), using heteroatoms(such as F, O and S atoms, and CN group), etc. These modifications enable BT-polymers to exhibit distinct absorption spectra(with onset varied from 600 nm to 1000 nm), different frontier energy levels and crystallinities. As a consequence, BT-polymers have gained much attention in recent years, and can be simultaneously used as electron donor and electron acceptor in OSCs, providing the power conversion efficiencies(PCEs) over 18% and 14% in non-fullerene and all-polymer OSCs. In this article, we provide an overview of BTpolymers for OSCs, from donor to acceptor, via selecting some typical BT-polymers in different periods. We hope that the summary in this article can invoke the interest to study the BT-polymers toward high performance OSCs, especially with thick active layers that can be potentially used in large-area devices.     

Perylene Bisimides as efficient electron transport layers in planar heterojunction perovskite solar cells

Two perylene bisimides based non-fullerene small molecules, H-DIPBI and B-DIPBI, are applied into inverted planar heterojunction perovskite solar cells. The power conversion efficiency up to 11.6% has been achieved for device with B-DIPBI, indicating that non-fullerene acceptor can function as the electron transport layer to replace PCBM in perovskite solar cells.     

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。     

萘酰亚胺取代修饰4,4′-螺双环戊并[2,1-b∶3,4-b′]二噻吩化合物的合成制备及其在有机薄膜光伏器件中的应用研究

近年来,新型有机非富勒烯受体的开发极大地促进了有机聚合物太阳能电池效率的不断突破。其中具有空间非平面结构的新型非富勒烯受体材料是该领域的一个研究热点。本文选取1,8-萘酰亚胺(NMI)作为受电子单元,合成制备了基于螺[4,4]双环戊[2,1-b∶3,4-b′]二噻吩核心单元的空间非平面化合物SCPDT-(NMI)4及对应的基于环戊[2,1-b∶3,4-b′]二噻吩以及环戊[2,1-b∶3,4-b′]二噻吩-4-酮的线性模型化合物CPDT-(NMI)2和CPDT-O-(NMI)2。在此基础上,详细研究了3个化合物的光谱吸收、荧光光谱以及循环伏安电化学性质。结果表明,具有螺形结构的SCPDT-(NMI)4因其非平面结构以及较高的分子内空间位阻,导致其吸收光谱与线性化合物CPDT-(NMI)2相比出现了11nm的蓝移。固体薄膜吸收光谱结果表明,这一系列化合物具有弱的分子间相互作用。电化学循环伏安测试结果表明,所合成的3个化合物均有可逆的氧化还原过程。据此测得化合物的LUMO能级大致为-3.5~-3.8eV之间,可作为电子受体用于有机薄膜光伏电池。利用所合成的萘酰亚胺修饰的化合物作为电子受体,PBDB-T作为电子给体制备了有机太阳能电池器件。器件实验结果表明,基于空间非平面SCPDT-(NMI)4的器件光电转换效率达到了1.16%,远高于以线性分子CPDT-(NMI)_2作为受体的器件效率(0.11%)。荧光光谱猝灭实验结果表明,所合成的萘酰亚胺化合物与聚合物之间不完全的电子转移是影响器件性能的最主要因素。     

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.