非富勒烯受体DA'D型稠环单元的结构修饰及电池性能研究

近年来,设计和合成高性能非富勒烯受体(NFAs)材料已经成为太阳能电池研究领域的前沿课题。基于DA'D型稠环结构的NFAs由于具有吸光系数高、能级和带隙可调、结构易于修饰、分子可高效合成、光电学性能优异等优点而受到了越来越广泛的关注。在短短7年的时间里,能量转换效率(PCE)从3%~4%提高到18%。2019年初邹应萍等报道了一个优秀的受体分子Y6,与PM6共混制备单结电池,获得了15.7%的能量转换效率。Y6类受体材料的中心给电子单元为DA'D型稠环结构,缺电子单元(A')通过氮原子与两个给电子单元(D)并联形成稠环结构,这有助于降低前线分子轨道能级并增强吸收,同时与氮相连的两个烷基链和位于噻吩并噻吩β位的两个侧链则有助于提高溶解度及调节结晶性。自Y6问世以来,人们对分子的结构剪裁进行了深入的研究,并报道了数十种新的结构。在这些新的受体中,DA'D部分的结构裁剪对提高器件效率和太阳能电池的性能起着至关重要的作用。本文对A'、D单元和侧链结构修饰的研究进展进行了综述。通过选择几组受体,对最近报道的分子进行分类,并将它们的光学、电化学、电学和光电性质与精确的结构修饰相关联,从而对结构-性能关系进行全面概述。     

无机钙钛矿太阳能电池Cs2SnI6的电子结构和光学性质的第一性原理研究

近年来,Cs2SnI6作为一种无毒性、稳定性好的新型钙钛矿材料应用于太阳能电池中,其电池的光电转换效率由最初不到1%增长到现在的8.5%,使之成为有可能替代铅基钙钛矿太阳能电池的新型太阳能电池。本文采用基于广义密度泛函和杂化密度泛函的第一性原理方法研究了Cs2SnI6的电子结构、光学特性和钙钛矿太阳能电池的光电性能参数。研究结果表明,导带底和价带顶位于同一高对称点Γ而属于直接跃迁型半导体,且电子态主要来自于I-5p轨道和Sn-5s轨道。在近红外和可见光波长范围内有较高的吸收系数,当Cs2SnI6钙钛矿厚度达到10μm时,吸收率在311~989 nm之间接近100%,不考虑潜在损失的情况下,理论上太阳能电池可获得短路电流为32.86 mA/cm2、开路电压0.91 V、填充因子87.4%、光电转换效率26.1%。为实验上制备高效Cs2SnI6钙钛矿太阳能电池提供了参考。     

以绕丹宁和噻唑烷-2,4-二酮为端基的不对称结构有机受体分子的设计合成与构性关系探讨

分别以绕丹宁和噻唑烷-2,4-二酮单元为端基、IDT为中心核设计合成了一个新型不对称结构的有机小分子受体IDT-2,并通过与两端均以绕丹宁或噻唑烷-2,4-二酮受体单元的对称小分子受体IDT-1和IDT-3进行对比,探讨了分子结构与性能之间的关系。研究发现,从IDT-1到IDT-3,随着两端的绕丹宁基团被噻唑烷-2,4-二酮基团逐步取代,这类小分子受体的吸收光谱显著蓝移,光学带隙E_g~(opt)逐步增大,LUMO和HOMO能级也逐渐抬升。随后我们分别以这三个小分子为受体、P3HT为给体共混构建活性层而制备了有机太阳能电池,结果表明,以两端均为绕丹宁单元的对称结构小分子受体IDT-1构建的电池器件具有最高的光电转换效率(PCE),相应的J_(sc)和FF值也最大,而V_(oc)则最低;而以两端均为噻唑烷-2,4-二酮基团的对称结构小分子受体IDT-3的电池器件,其V_(oc)最高,但其J_(sc)和FF则最低,PCE值也最小。对于IDT-2而言,由于分子只有一个绕丹宁单元被噻唑烷-2,4-二酮所取代,其V_(oc),J_(sc)和PCE均介于IDT-1与IDT-3之间。由此说明,尽管噻唑烷-2,4-二酮基团的引入能有效提升器件V_(oc),但却不利于改善其J_(sc)和FF,因此受体的分子设计中如何平衡电池器件的几种光伏性能参数而获得高的光电转换效率仍是十分重要的研究课题之一。     

不同结构二元羧酸改性棉纤维铁配合物的制备和光催化性能

分别使用3种不同结构的二元羧酸[酒石酸(TA)、 苹果酸(MA)和丁二酸(SA)]对棉纤维改性引入羧基并与Fe ³⁺离子反应制备羧酸改性棉纤维铁配合物, 考察了二元羧酸结构和浓度对改性棉纤维的羧基含量(Q_COOH)及其铁配合物的铁配合量(Q_Fe)的影响. 研究了3种羧酸改性棉纤维铁配合物作为有机染料氧化降解反应和Cr(Ⅵ)还原反应光催化剂的性能. 结果表明, 改性棉纤维的Q_COOH值随羧酸浓度的增加而增加. 不含羟基的SA比2种羟基羧酸TA和MA能给棉纤维引入更多羧基, 而2种羟基羧酸改性棉纤维铁配合物则具有更高的Q_Fe值. 3种羧酸改性棉纤维铁配合物对染料氧化降解反应和Cr(Ⅵ)还原反应都表现出显著的光催化作用, 且随其Q_Fe和辐射光强度的提高而增强. TA改性棉纤维铁配合物比其它2种配合物具有更高的光催化活性. 3种配合物不但能将Cr(Ⅵ)还原为Cr(Ⅲ)离子, 而且还能将其部分吸附去除, MA改性棉纤维铁配合物具有较高的铬离子去除效率.     

GZO/Al复合背电极对非晶硅太阳能电池的影响

随着能源紧缺与环境污染问题的日益严重,太阳能的开发利用越来越受到重视,其中非晶硅薄膜太阳能电池由于其制备工艺简单、价格低廉等优点被广泛地研究.为了使非晶硅薄膜太阳能电池得到更好地利用,提高其转换效率和稳定性显得尤为重要.引入复合背电极是提高非晶硅太阳能电池性能的有效手段,其中对GZO/Al复合背电极的研究还未见报道.在该工作中,利用磁控溅射法在非晶硅电池上制备了GZO/Al复合背电极,研究了复合背电极的制备条件及其对非晶硅太阳能电池性能的影响.结果显示,当GZO层的溅射功率为90 W、Al层的溅射功率为90 W时,具有复合背电极的太阳能电池表现出较好的光电转换性能,其短路电流(ISC)、开路电压(VOC)、填充因子(FF)和电池的光电转换效率(η)分别为8.92 mA、1.55 V、54.48;和7.53;.相较于单层Al背电极的太阳能电池,其光电转换效率大幅提高了47.6;(相对效率).     

减反膜对单晶硅太阳能电池性能的影响分析

在太阳能电池效率的评价中，电池材料、掺杂浓度、扩散长度等都是比较重要的参数，合理地改变相关参数可以优化太阳能电池的性能，提高电池效率。此外，在太阳能电池表面镀一层具有减反作用的光学薄膜（简称减反膜）也是提高电池效率的重要手段。以提高电池效率为目标，对单晶硅太阳能电池的掺杂浓度和扩散长度等微观参数进行计算优化，分析了掺杂浓度和扩散长度变化对电池效率的影响。并在此基础上分析了不同类型的减反膜对于电池效率的影响，给出了最佳减反膜材料及其膜系厚度，并且结合镀膜后电池量子效率的变化验证了其准确性。结果表明，在优化电池掺杂浓度和扩散长度的基础上，选择合适的减反膜，电池效率最高可达20.35%，相比于优化前提高了8.25%。     

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。     

通过调节共轭聚合物侧链实现可绿色溶剂加工的非富勒烯太阳能电池

有机太阳能电池(OSC)经过长期的发展,其能量转换效率(PCE)已快速推进至14%–16%,基本接近可商业化应用的范围,但在目前所见报道的高效率OSC器件的制备过程中,活性层薄膜的加工大多采用氯苯、二氯苯、氯仿等毒性较高的含卤/芳香性试剂,此类试剂对环境及人类健康的危害非常高。在本工作中,我们基于已报道的高效率给体共轭聚合物PBDB-T,通过扩大共轭侧链结构与增长柔性烷基侧链的方式,合成了新型给体聚合物PBDB-DT。PBDB-DT中较长的柔性烷基侧链保证了其在低毒性溶剂四氢呋喃(THF)溶液中良好的溶解度,同时,扩大的共轭侧链也有效增强了其在THF中的溶液聚集作用,这一特性对于在非富勒烯型OSC器件中获得较好的光伏性能尤其重要。当采用非富勒烯小分子IT-M作为电子受体材料时,以THF为主溶剂加工的基于PBDB-DT:IT-M的OSC器件可以获得10.2%的能量转换效率。