基于苯并[1,2-b:4,5-b']二呋喃共轭单元有机光伏材料的研究进展

近几年,苯并[1,2-b:4,5-b']二呋喃(benzo[1,2-b:4,5-b']difuran,BDF)由于其平面性好、电荷迁移率高、溶解性好、生产来源丰富、可生物降解等优点,得到了越来越多的关注,并被广泛应用于有机光伏分子的设计中.目前所报道的基于该共轭单元的有机光伏器件(OPV)的光电转化效率(PCE)最高已达到了9.43%,展示了巨大的应用前景.系统地介绍了BDF共轭单元的制备路线及基于BDF单元的光伏材料的最新研究进展,重点讨论了基于BDF单元给体材料结构的变化对光伏性能的影响.     

高性能聚合物光伏材料的设计与应用

高性能聚合物光伏材料对于推动聚合物太阳能电池领域的发展具有十分重要的作用.随着研究的深入,聚合物光伏材料从早期的聚噻吩体系逐步发展到具有推拉电子作用的给体-受体(D-A)交替共聚物,其相应的器件光伏效率也从最初的1%左右提升到如今超过11%.近十年来,种类繁多的给受体单元被开发并应用于聚合物材料的构建中,其中基于苯并二噻吩(BDT)单元的聚合物材料因为具有良好的光伏性能,得到了十分广泛的应用.近年来,非富勒烯受体的迅速发展给聚合物太阳能电池的研究注入了新的活力,BDT类聚合物在基于非富勒烯受体的聚合物太阳能电池中也展现出重要的作用,已经获得了超过11%的光电转化效率.本文简要介绍了我们在高性能聚合物光伏材料的设计与应用中的相关工作,主要分为聚噻吩和苯并二噻吩材料的设计与应用、活性层形貌调控以及非富勒烯聚合物太阳能电池的相关研究.     

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%。     

综合研究DPE添加剂对含5,6-二氟-苯并[1,2,5]噻二唑给-受体共聚物的光伏性能影响（英文）

合成了三个以5,6-二氟-苯并[1,2,5]噻二唑为受体,2,5-双-(2-辛基-十二烷氧基)-1,4-双(噻吩并[3,2-b]噻吩基)苯和2,5-双-(2-辛基-十二烷氧基)-1,4-双(硒吩基)苯为给体的给-受体型共聚物(PBT2F-TT-a,PBT2F-TT和PBT2F-Se).这三个聚合物与PC71BM共混制备成了本体异质结聚合物太阳能电池.通过原子力显微镜(AFM)、透射电子显微镜(TEM)、交流阻抗谱(ACIS)、空间电荷限制电流(SCLC)和短路电流密度-入射光光强(JSC-Plight)测试方法系统研究了二苯醚(DPE)对活性层的形貌、载流子迁移率以及光伏性能的影响.实验结果表明DPE有助于提高共混膜载流子的迁移率,同时器件的光伏性能也得到改善.此外,PBT2F-Se器件的SCLC实验数据揭示了平衡的空穴和电子迁移率有利于提高器件的短路电流密度.     

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%.     

以蒽醌酰亚胺为电子受体的共轭聚合物的设计与合成及其在光探测器上的应用

合成了5,8-二溴蒽醌-2,3-二羧酸,进一步制备出相应的酸酐和一个新的电子受体——N-(1-己基庚基)-5,8-二溴蒽醌-2,3-二羧酸酰亚胺.该化合物的活性很高,可通过钯配合物催化的偶联反应与不同的电子给体进行聚合获得相应的给受体型共轭聚合物.在计算机模拟的辅助下,设计合成了2个聚合物.聚合物P1选用苯并双噻吩衍生物作为电子给体基元,而P2在P1的基础上,选用3,4-乙烯二氧噻吩作为连接基元,两个聚合物的吸收波长覆盖整个可见光区.聚合物的LUMO(最低未占分子轨道)能级在-3.85 eV左右,且具有很好的溶解性,可与(6,6)-苯基-C61-丁酸甲酯掺杂制备出体异质结光探测器件.P2制备的光探测器件,在-4 V的偏压下,505 nm处EQE为26%,相应的归一化探测率(D*)为2.2×1011Jones.     

窄带隙二噻吩并吡咯共聚物合成与光伏性能研究

二噻吩[3,2-b:2′,3′-d]并吡咯(Dithieno[3,2-b:2′,3′-d]pyrrole,DTP)分别与3种受体单元聚合得到聚合物P1~P3,受体单元分别为:吡咯并吡咯二酮(DPP)、二噻吩苯并噁二唑(DTBO)和喹喔啉衍生物(TQ).研究表明,3种聚合物都有较窄的带隙(P1:1.23 e V,P2:1.51 e V,P3:1.50 e V),有利于活性层材料对太阳光的吸收,其中P1获得了最宽的吸收(近1000 nm).将P1~P3与PC71BM共混制备光伏器件,当给受体比例为1∶3时,基于P1的光伏器件短路电流密度(short-circuit current density,JSC)为15.82 m A/cm~2,开路电压(open-circuit voltage,VOC)为0.38 V,能量转化效率(power conversion efficiency,PCE)达到3.33%,为3种聚合物中最高的效率.对于聚合物P2和P3,在给受体比例为1∶2时,光伏性能最好,此时P2与P3的PCE值分别为1.20%和1.37%,导致较低光电转换效率的因素是短路电流密度JSC(P2:9.70 m A/cm~2,P3:9.21 m A/cm~2)和开路电压VOC(约0.3 V)过低.     

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。     

综合研究DPE添加剂对含5,6-二氟-苯并[1,2,5]噻二唑给-受体共聚物的光伏性能影响

合成了三个以5,6-二氟-苯并[1,2,5]噻二唑为受体,2,5-双-（2-辛基-十二烷氧基）-1,4-双（噻吩并[3,2-b]噻吩基）苯和2,5-双-（2-辛基-十二烷氧基）-1,4-双（硒吩基）苯为给体的给-受体型共聚物（PBT2F-TT-a,PBT2F-TT和PBT2F-Se）.这三个聚合物与PC₇₁BM共混制备成了本体异质结聚合物太阳能电池.通过原子力显微镜（AFM）、透射电子显微镜（TEM）、交流阻抗谱（ACIS）、空间电荷限制电流（SCLC）和短路电流密度-入射光光强（J_SC-P_light）测试方法系统研究了二苯醚（DPE）对活性层的形貌、载流子迁移率以及光伏性能的影响.实验结果表明DPE有助于提高共混膜载流子的迁移率,同时器件的光伏性能也得到改善.此外,PBT2F-Se器件的SCLC实验数据揭示了平衡的空穴和电子迁移率有利于提高器件的短路电流密度.     

基于噻吩并吡嗪类的-(D-A_1)_m-(D-A_2)_n-型三元无规共聚物的合成及光电性能

选用苯并二噻吩(BDT)类衍生物作为给体单元D,并选用噻吩并吡咯二酮(TPD)类衍生物(A1)和噻吩并吡嗪(TP)类衍生物(A2)作为共同的受体单元,通过Stille偶联聚合制备了-(DA_1)_m-(D-A_2)_n-型三元无规共聚物,并同时合成了基于BDT和TP的二元共聚物。采用核磁共振氢谱(1 H-NMR)、凝胶液相色谱(GPC)和热重(TG)表征聚合物的结构与性能;采用紫外-可见光谱和循环伏安法测试聚合物的光电性能,研究了以这类聚合物为给体材料制备的太阳能器件的光伏性能。结果表明:三元无规共聚物具有较高的相对分子量和热稳定性,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和最低电子占用轨道LUMO能级。基于三元无规共聚物P2的器件,其光电转换效率可达到1.22%,优于相应的二元共聚物P1的1.15%。     

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%)。     

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.     

平面型给-受体共轭聚合物的合成及在体异质结聚合物太阳能电池中的应用

设计合成了主链为聚2,8-{5,11-二烷基吲哚[3,2-b]咔唑}-4,7[2,5-噻吩]-二-5,6-二烷氧基-2,1,3-苯并噻二唑, 具有不同侧链的2种平面型给-受体共轭聚合物(QP-2和QP-3), 研究了其热学、光物理和光伏性质. 用聚合物-PC₇₁BM([6,6]-苯基C₇₁丁酸甲酯)共混物作为活性层构筑了本体异质结聚合物太阳能电池. 其中以QP-3为给体、以PC₇₁BM为受体的光伏电池能量转换效率最高达到2.59%, 开路电压为0.72 V, 短路电流为9.24 mA/cm², 填充因子为0.38. XRD结果表明, 平面型共轭聚合物具有较好的结晶性, 原子力显微镜(AFM)显示平面型共轭聚合物易于发生微观相分离.     

含电子给体-受体的交叉共轭聚合物合成及其离子传感性能

在芴苯结构主链中引入苯并噻唑作为电子受体、侧链上引入N,N-二丁基苯胺作为电子给体,通过Suzuki反应制备了新型交叉共轭聚合物P1,同时合成主链中不含苯并噻唑的芴苯类共聚物P2作为对比;对两者的化学结构和光物理性质进行了表征,并研究了聚合物对离子的光学传感性能.实验和模拟计算结果均表明,P1中存在着强的分子内电荷转移效应;引入电子给体和受体(D-A)能够有效地调控交叉共轭聚合物的光学特性,这种D-A型交叉共轭聚合物是一类潜在的具有荧光增强性能的化学传感材料.     

给体-受体-给体窄带隙染料掺杂聚芴发光二极管

合成了一系列给体-受体-给体型窄带隙荧光分子, 并将其作为掺杂剂与主体(Host)宽带隙聚芴共混制备发光二极管. 荧光分子为4,7-二呋喃-苯并噻二唑(O-S)、4,7-二噻吩-苯并噻二唑(S-S)、4,7-二(N-甲基吡咯)-苯并噻二唑(N-S)、4,7-二硒吩-苯并噻二唑(Se-S)和4,7-二(N-甲基吡咯)-苯并硒二唑(N-Se). 溶液中荧光分子的紫外-可见吸收峰位于447~472 nm, 荧光发射峰位于563~637 nm. 该系列荧光分子掺杂聚芴(PFO)发光器件的电致发光峰位于580~633 nm. 当器件结构为ITO/PEDOT/PVK/PFO+N-Se/Ba/Al时, 最大外量子效率为1.28%, 电流效率1.31 cd/A.     

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。     

含均苯四甲酸二酰亚胺受体单元的共轭高分子的合成及其在有机太阳能电池上的应用

通过Stille反应合成了一系列含有均苯四甲酸二酰亚胺受体单元的共轭聚合物P1～P7.该系列聚合物在常见有机溶剂中溶解性良好,在370～600 nm范围内有较强吸收.通过循环伏安法测量其LUMO能级范围在-3.66～-3.90 eV之间,HOMO能级在-5.25～-6.17 eV之间,在同类分子中接近最低值.通过改变主链中噻吩单元的数量和给电子单元,可以调节分子的能隙,使其电化学能隙在2.45～1.55 eV范围内变化.将含均苯四甲酸二酰亚胺受体单元的P1～P7应用于有机太阳能电池中,作为给体材料与PC61BM共混制成本体异质结聚合物电池,器件开路电压普遍较高.其中基于均苯四甲酸二酰亚胺与二噻吩并噻咯的聚合物P7的器件,在AM 1.5 G,86 mW/cm2光照条件下,开路电压为0.72 V,短路电流为1.22 mA/cm2,能量转换效率为0.27%.     

苯并[1,2-b:4,5-b']二噻吩和二噻吩邻苯二甲酰亚胺的平面型交替共聚物的合成及其光伏性能

通过Stille聚合反应合成了含有苯并[1,2-b:4,5-b']二噻吩和二噻吩邻苯二甲酰亚胺的D-A结构平面共聚物PBDTPhBT.该聚合物热稳定性和在常见有机溶剂中的溶解性良好、在380～580nm范围内有强吸收.分子模拟计算的结果表明,聚合物主链具有较好的平面型.PBDTPhBT的光学带隙为2.10eV、用电化学方法测量的HOMO能级为5.23eV.以聚合物PBDTPhBT为给体、PC70BM为受体(给受体重量比为1:1)、Ca/Al为负极制备了本体异质结聚合物太阳能电池.在AM1.5,100mWcm2光照条件下器件的开路电压和短路电流分别为0.79V和5.63mAcm2,能量转换效率达到了1.76%.     

新型给体-受体型聚合物的合成及其在本体异质结聚合物太阳能电池中的应用

设计、合成了侧链含有强吸电结构的丙二酸二丁酯受体单元与苯并[1,2-b:4,5-b′]二噻吩给体单元交替共聚物PBDTDT,研究了其热学、光学、电化学性质以及与受体PC71BM([6,6]-苯基C71丁酸甲酯)共混作为活性层制备成本体异质结聚合物有机太阳能电池的光伏性质,考察了PBDTDT与PC71BM不同比例时的光伏性能,当聚合物PBDTDT和PC71BM质量比为1∶3制备的器件,其开路电压达到了0.82 V,能量转换效率(PCE)为0.90%,短路电流为3.25 mA/cm2,填充因子FF为0.338,同时将其与同等工艺制备的poly(3-hexylthiophene)(P3HT)太阳能电池的光伏性能进行比较,相同工艺下制备的P3HT电池的开路电压仅为0.55 V,由PBDTDT制备的电池开路电压比P3HT电池的开路电压高出0.29V,同时分析了PBDTDT能量转换效率较P3HT低的原因.     

不同受体单元的两个聚合物光伏性质

合成了两个不同受体的共轭聚合物联噻唑-苯并噻二唑-咔唑共聚物(HSD-5);四氟苯-并二噻吩-咔唑共聚物(HSD-7),研究了其热学、光物理和光伏性质.由电化学结果显示两个聚合物的带隙分别为2.16和2.53 e V.用聚合物/[6,6]-苯基-C71-丁酸甲酯(PC71BM)作为活性层构筑了本体异质结聚合物太阳能电池的能量转换效率分别为0.36%和0.73%.同时,研究表明含氟材料由于碳-氟键高度极化改变了聚合物分子间的作用力,对活性层的形貌产生显著影响;多元受体单元间较大的扭转角会降低共轭电子离域程度,不利于分子内因电荷转移对光子的吸收,拓宽了聚合物的能带隙.最后,结合实验结果分析了两种材料制备的器件能量转换效率较低的原因.