苯并二噻吩基小分子高效有机太阳能电池研究进展

有机太阳能电池(organic solar cell,OSC)是由有机材料构成活性层的太阳能电池.苯并[1,2-b:4,5-b']二噻吩(benzo[1,2-b:4,5-b']dithiophene,BDT)由于具有较大的刚性平面共轭结构,可以显著提高π电子的离域能力和分子间的π-π相互作用,且易化学修饰,合成方便,成为太阳能电池给体材料研究中的一个"明星分子"单元.目前,已报道的基于BDT共轭单元的有机光伏器件(organic photovoltaic device,OPV)的光电转化效率(power conversion efficiency,PCE)最高已达到9.95%,应用前景巨大.综述了BDT基小分子有机太阳能电池(small molecule organic solar cell,SM-OSC)活性层材料近年来的研究进展,并简要分析了小分子由于主链、侧链、封端基团的差异对器件性能的不同影响.     

掺杂发光有机电致磷光器件工作原理及主体材料

本文总结了基于掺杂发光的有机电致磷光器件(PhOLED)中磷光材料被激发的途径及机理,并指出不同主体材料对器件性能的不同影响.全面介绍了小分子主体材料研究的新进展及它们在PhOLEDs器件中的运用.比较和讨论了基于各种不同性质主体材料的器件性能,指出主体材料选择策略.同时讨论了各类主体材料的分子结构、热稳定性、三线态能级、载流子迁移率及HOMO/LUMO能级之间的关系,揭示了上述特性对器件性能影响.     

基于非稠环电子受体的有机太阳能电池材料与器件

近年来基于稠环电子受体的有机太阳能电池发展迅速,然而稠环受体分子结构的复杂性导致了较高的合成成本和较低的收率,限制了其商业化应用。非稠环小分子受体因其采用C-C单键连接,因具有分子结构简单、结构多样性、合成成本低等优点获得广泛关注。本文从材料设计角度入手,围绕非稠环电子受体的发展历程,简要讨论结构调控对材料基本性质、聚集态结构、分子堆积、活性层形貌及相应光伏性质的影响规律;重点介绍关于完全非稠环受体材料的结构-性质之间的关系。最后从材料设计、器件优化、器件光伏性能、器件稳定性方面对非稠环受体材料的发展做出展望。     

基于方酸菁类小分子给体与富勒烯受体材料的有机光伏电池研究进展

方酸菁类小分子材料具有合成路线简单、吸收系数高、能带隙可调、可见-近红外区吸收强烈的性质以及光、热稳定性高的特点,被认为是一类非常有应用前景的有机光伏电池材料.其作为给体材料,结合富勒烯受体材料的有机光伏电池能量转化效率已经超过了8%.综述了近年来基于方酸菁类小分子给体材料和富勒烯受体材料的有机光伏电池的研究进展,系统分析了方酸菁类小分子的分子结构、薄膜形貌和分子聚集等对器件光伏性能的影响.为方酸菁类小分子材料在有机光伏电池方面的应用拓宽了思路,并对以后的研究提出了展望.     

自组装单分子膜功能器件

分子尺度电子学是利用单个分子或分子单层组装体作为活性单元来实现电子学功能的一门前沿科学领域.基于自组装单分子膜(SAMs)的分子器件在分子电子学的实用化道路上具有很大的发展潜力与应用前景.目前,SAMs功能器件的研究仍处于起步阶段,其性能还有很大提升空间.本文首先评述了SAMs器件的构筑方法,针对直接蒸镀金属顶电极会对SAMs造成破坏的问题,介绍了3类软接触电极,包括液态金属、导电高分子和石墨烯顶电极;然后以固态光开关器件为例介绍了近年来功能器件上的一些新进展,分子优化设计对于提升器件响应活性具有重要意义;同时总结了共轭聚合物SAMs器件的制备方法和性能,通过合理的结构设计,共轭聚合物能进行电荷的长程输运,并有望提供比小分子更优异的光电功能;最后讨论和展望了未来的发展方向.     

基于混合自组装单分子层的可控分子整流

基于自组装单分子层(SAM)的分子器件的性能取决于分子层的超分子结构. 而混合自组装单分子层是一种简便易行的调控单分子层组成和结构的方法. 将具有整流特性的11-二茂铁基-1-十一烷基硫醇(FUT)和惰性1-十一烷硫醇(C11-SH)通过溶液共混制备了混合单分子层, 并用液态EGaIn作为顶电极研究了SAM器件的性质. C11-SH与FUT分子的比例可以调节器件的整流性能: 随着惰性C11-SH分子比例增高, SAM器件的整流比逐渐降低. 有趣的是, 当惰性C11-SH的比例小于20%时, 器件的整流性能反而随C11-SH的加入而得到了提升. 这是由于少量C11-SH分子减弱了由二茂铁分子的排列缺陷引起的漏电流, 改善了分子器件的稳定性和重现性, 为单分子层器件的性能调控提供了一种简便有效的方法.     

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.     

小分子给体/高分子受体型有机太阳能电池研究进展

有机太阳能电池具有低成本、柔性和质量轻等优势,是一种有应用前景的光伏技术,受到人们的广泛关注.有机太阳能电池的光敏活性层通常由p-型有机半导体(包括小分子和高分子)与n-型有机半导体(包括小分子和高分子)共混而成.小分子给体/高分子受体型有机太阳能电池具有形貌热稳定性优异的特点,值得深入研究.本综述旨在总结小分子给体/高分子受体型有机太阳能电池的研究进展,分别介绍了基于酰亚胺基、氰基和含硼氮配位键(B←N)的高分子受体的活性层材料体系的发展状况.在器件性能方面,通过分子设计、相分离形貌调控,改善了小分子给体/高分子受体的匹配性,将该类电池的能量转换效率从最初的0.29%提升至目前的9.51%,为性能的进一步提升总结了经验;在稳定性方面,基于该体系形貌热稳定性优异的特点,开发出高温耐受型有机太阳能电池器件.最后,展望了小分子给体/高分子受体型有机太阳能电池的未来发展方向和前景.     

酰胺与酰亚胺类n型有机半导体材料的研究进展

有机半导体材料具有来源丰富、化学结构可裁剪、柔韧性较高、器件制备温度低和塑料衬底兼容性好等优点, 极大地拓展了电子器件的功能与应用. 然而, 电子传输型(n型)有机半导体在分子多样性、载流子迁移率和空气稳定性方面远远落后于空穴传输型(p型)半导体, 从而阻碍了双极晶体管、p-n结和有机互补电路的发展. 酰胺或酰亚胺功能化能显著提高有机材料的电子亲和势, 是构建高性能n型有机半导体的重要策略. 本综述总结了近年来萘二酰亚胺类、苝二酰亚胺类、吡咯并吡咯二酮类、异靛蓝类和其他酰胺/酰亚胺类小分子和聚合物n型有机半导体材料的研究进展, 从分子设计角度出发, 深入讨论了分子结构如何改变分子前线轨道能级、分子间相互作用力、聚集态结构、器件稳定性和电学性能, 最后对其未来的发展方向和面临的挑战进行了展望.     

高迁移率聚合物半导体材料最新进展

自20世纪80年代以来,聚合物半导体材料及其薄膜场效应晶体管器件(OFETs)已取得系列突破性进展.目前,已有数百种聚合物半导体材料被成功应用于OFETs中,空穴迁移率值最高已达36.3 cm~2·V~(-1)·s~(-1),可与有机小分子半导体材料甚至可同无定形硅相媲美.综述了近年来国内外高迁移率聚合物半导体的最新进展.分类对比总结和评述了空穴传输型(p-型)、电子传输型(n-型)和双极传输型聚合物半导体材料,并对聚合物半导体材料分子设计思路、薄膜OFETs器件制备及其性能参数进行了重点阐述.同时,总结了聚合物半导体材料的分子结构、聚集态结构与OFETs器件性能之间的内在关系,为今后设计与合成综合性能优异的聚合物半导体材料提供一定理论指导.     

热活化延迟荧光聚合物及其电致发光器件

热活化延迟荧光(TADF)聚合物,不仅具有小分子TADF材料高的激子利用效率特性,而且还具备分子多样性好、可溶液加工、低成本、以及易实现大面积柔性器件等诸多优势,在近几年受到广泛的关注并展现了良好的应用前景。本文从TADF聚合物分子设计原理、器件结构及发光机理出发,依据TADF聚合物的构筑方法不同,概括了其结构设计策略,详述了各种类型TADF聚合物的分子结构和光电性能及其在有机电致发光器件领域应用的研究进展,最后探讨了TADF聚合物存在的问题,并展望了其发展前景。     

小分子蓝色磷光主体材料

有机电致发光器件是有机光电子领域的研究热点,在平板显示和固体照明领域有着广阔的应用前景.目前,由于器件效率和稳定性的问题,蓝色磷光器件是有机电致发光器件的瓶颈,而蓝色磷光主体材料的选择是影响蓝色磷光器件性能的关键因素.综述了小分子蓝色磷光主体材料的最新研究进展,重点介绍了各类小分子蓝色磷光主体材料的设计思想、器件性能.包括空穴传输性主体材料、含硅主体材料、电子传输性主体材料、双极主体材料和可湿法加工的蓝色磷光小分子主体材料的结构、特点及相应器件性能.最后对小分子蓝色磷光主体材料的发展方向进行了展望.     

寡聚物型A-D-A结构高效有机太阳能电池材料与器件

近年来有机太阳能电池发展迅速,活性层材料起到至关重要的作用.在众多活性层材料中,由于其化学结构确定、能级和吸收易调控以及其特殊的电子云分布等特点,寡聚物型A-D-A结构活性层材料成为领域研究的热点和重点.本文围绕A-D-A结构寡物聚型小分子光伏材料,首先对基于寡聚噻吩以及苯并[1,2-b:4,5-b']二噻吩的A-D-A给体材料进行系统的分析和讨论,对分子的结构-性能关系进行总结;然后讨论基于芴和苯并[1,2-b:4,5-b']二噻吩的两类A-D-A受体材料;总结了我们基于A-D-A分子叠层器件进展;最后,从能量转换效率、器件稳定性、柔性及大面积器件等方面对有机太阳能电池的发展进行了展望.     

基于二维共轭结构的苯并二噻吩类聚合物光伏材料

为了不断提高聚合物太阳能电池的光电转化效率,研究人员设计并合成了种类众多的给/受体单元来制备共轭聚合物材料.其中,基于苯并[1.2-b:4,5-b′]二噻吩(BDT)单元的聚合物材料在有机太阳能电池器件中取得了十分突出的光电转化效率,显示了巨大的应用前景.相比于柔性侧基(如烷氧基或烷基)取代的BDT单元而言,基于二维共轭结构BDT的共轭聚合物通常有更好的热稳定性,更宽的吸收光谱,较低的HOMO能级以及更高的空穴迁移率,因而表现出更加优异的光伏性能,最近报道的由二维共轭BDT单元共聚物制备的聚合物太阳能电池可以获得10%以上的光电转化效率.本文首先简要介绍了二维共轭结构BDT单元的合成方法,然后总结了近年来基于二维共轭结构BDT单元的共轭聚合物及其在太阳能电池中的应用.     

新型共轭聚合物的设计合成及其在场效应晶体管的应用

近年来,有机场效应晶体管(OFETs)由于在柔性器件和可穿戴电子学中的潜在应用受到了学术界和工业界的普遍关注,尤其是以聚合物半导体材料构筑的晶体管性能得到了快速的发展.如何设计合成用于OFETs的高性能聚合物半导体材料,一直是我们的追求目标.然而,分子结构对迁移率的影响仍缺少系统的比较.本文综述了近年来国内外新型聚合物材料的最新进展.我们按照材料的种类以及载流子的传输类型进行了分类,对高性能聚合物材料的发展过程、材料的设计思路以及相应的FETs性能进行了系统地归纳总结.通过研究分子及分子聚集态结构与器件性能之间的关系,希望为以后设计合成新型的高性能的聚合物材料提供有益的借鉴和指导.     

基于给体-受体-给体型稠环模块的小分子光伏材料的研究进展

给体-受体-给体(Donor-Acceptor-Donor, D-A-D)型稠环及其衍生物因具有共轭平面结构大、载流子迁移率高、吸光性能优异和光热稳定性等优点,被应用于太阳能电池中,并获得了优异的光伏性能.概述了基于D-A-D型稠环的小分子光伏材料的最新研究进展,总结了该类材料分子结构与其光伏性能之间的关系.     

基于吡咯并吡咯二酮核心的苝二酰亚胺类受体分子的合成及光伏性能

苝二酰亚胺类小分子由于其固有的强分子聚集特性,导致活性层形貌难于调控,器件效率相对于近年来报道的受体-给体-受体型稠环小分子受体一直处于劣势.针对这一关键问题,我们设计并合成了三个以吡咯并吡咯二酮为中心核的双臂型和四臂型苝二酰亚胺类小分子受体.其中,c-PDI2和nc-PDI2两个双臂型分子分别将两个苝二酰亚胺臂置于吡咯并吡咯二酮核心骨架的碳取代位和氮取代位;四臂型PDI4是将四个苝二酰亚胺臂置于吡咯并吡咯二酮核心骨架的四个取代位.通过对三个受体小分子的光谱吸收、能级水平、薄膜形貌以及光伏性能的详细研究,发现三个受体小分子都拥有扭曲的分子结构并由此带来无定形薄膜形貌,表明其分子聚集趋势得到了有效的抑制.相对于双臂型受体分子,四臂型PDI4具有更强的光吸收能力和电子传输性能,从而获得了8.45%的最高光电转换效率,是c-PDI2器件效率的2倍和nc-PDI2器件效率的1.5倍.     

可溶液加工的D-A-D型有机小分子的烷基链效应及光电性能

设计合成了3种可溶液加工的基于噻吩给体和2-吡喃-4-亚基丙二氰(PM)受体的新型Donor-Acceptor-Donor(D-A-D)型有机小分子TPT-N, TPT-S和TPT-D. 研究了噻吩给体单元上烷基链的数目对分子的溶解性、 光物理(吸收特性)、 热稳定和光电性能的影响. 结果表明, 随着烷基链的增加, 分子的溶解性增加, 成膜性能提高; 分子在溶液中的吸收光谱发生红移, 薄膜的吸收谱带变窄, 分子的最高占有分子轨道(HOMO)能级提高. 以D-A-D型有机小分子为给体, 富勒烯C₆₀衍生物-苯基-C₆₁-丁酸甲酯(PCBM)为受体制备了结构为ITO/PEDOT∶PSS/D-A-D∶PCBM/LiF/Al的体异质结太阳能电池. 研究结果表明, 基于单烷基链的TPT-S的太阳能电池具有相对较高的能量转换效率. 说明在D-A-D型有机小分子太阳能电池材料中, 烷基链的数目是决定材料性能及器件性能的重要因素之一.     

自组装单分子空穴传输层在反式钙钛矿太阳电池的研究进展

空穴传输层在钙钛矿太阳电池(Perovskite solar cell, PSC)中起着抽取和传输钙钛矿层产生的光生空穴、抑制电子回流等重要作用,是构成高性能器件的重要组成部分.经典的空穴传输材料,如2,2’,7,7’-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9’-螺二芴(spiro-OMe TAD)、聚[双(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺](PTAA)等,空穴迁移率低、价格昂贵等缺点限制了其规模化应用.近年来,在反式PSC中自组装单分子层(self-assembledmonolayers,SAM)作为空穴传输层广泛应用,提升了器件性能.SAM分子结构中含有锚定官能团,可以在衬底上形成单分子薄膜,有着材料消耗小、无需添加剂、寄生吸收低、能够兼容叠层器件和有利于大面积制造等优点,已成为PSC领域的研究热点.本综述结合PSC发展,按照SAM分子结构中锚定基团的不同,对近年来基于SAM的空穴传输层的研究进行了分类和归纳,结合分子骨架变化分析了结构变化对其特性及器件性能的影响.最后,对SAM作为空穴传输层的发展做了总结和展望.     

酚基吡啶硼配合物发光材料

主要介绍双酚基吡啶硼配合物的合成、分子结构、分子堆积结构及其在有机电致发光器件中的应用.研究结果表明一些双酚基吡啶硼配合物可以作为发光材料制备性能优良的电致发光器件.