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。     

共轭聚合物发光和光伏材料研究进展

聚合物光电功能材料与器件因其广阔的应用前景,1990年以年来吸引了世界各国学术界的广泛关注和兴趣.聚合物光电子器件主要包括聚合物电致发光二极管、聚合物场效应晶体管和聚合物太阳能电池等,其使用的关键材料是共轭聚合物光电子材料,包括共轭聚合物发光材料、场效应晶体管材料和光伏材料等.本文主要对共轭聚合物电致发光材料和光伏材料的研究进展进行综述,介绍了这些聚合物材料的种类、结构和性质以及在聚合物电致发光器件和聚合物太阳能电池中的应用.并讨论了当前共轭聚合物光电子材料中的关键科学问题和今后的发展方向.     

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。     

萘并双噻二唑及其衍生稠环受体在D-A型聚合物太阳能电池给体材料中的应用

聚合物太阳能电池因其质量轻、柔性、可溶液制备成大面积器件等优点受到学术界和产业界的广泛关注。目前,聚合物太阳能电池仍然处于实验室研究阶段,研究重点依然集中在器件效率以及使用寿命的进一步提高上。开发新颖高效的聚合物太阳能电池材料是持续提高电池器件效率的原动力。给体(D)-受体(A)型共轭聚合物材料具有宽的光谱吸收、可调节的能级水平、强的分子内电荷转移过程等特征,成为聚合物太阳能电池材料设计的重要策略之一。众多的给体和受体结构单元已被筛选用来构建高性能的D-A型共轭聚合物光伏材料。其中,萘并双噻二唑及其衍生稠环受体结构单元因其具有刚性的共轭平面、强的吸电子能力等特点,被广泛用于设计高性能的聚合物太阳能电池给体材料。基于此,本文综述了萘并双噻二唑及其衍生稠环受体构筑单元在发展D-A型聚合物给体材料方面的应用,并对该类材料的发展方向和前景提出了展望。     

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.     

四氟苯基宽带隙聚合物给体光伏材料的研究

设计并通过Stille缩聚方法合成了一种基于四氟苯和4,8-双(5-(2-乙基己基)噻吩-2-基)-苯并[1,2-b:4,5-b’]二噻吩单元的推拉电子型宽带隙聚合物(PBDT4F)作为聚合物太阳能电池的给体材料。用核磁共振氢谱(1H-NMR)、凝胶渗透色谱(GPC)、热重分析、紫外-可见吸收光谱和循环伏安法等对其进行了表征。结果表明:PBDT4F对400～600 nm短波长光具有强吸收能力,并且具有低的最高占有轨道(HOMO)能级和适合的最低未占有轨道(LUMO)能级。基于PBDT4F为给体、有机小分子(5Z,5’Z)-5,5’-((7,7’-(4,4,9,9-四辛基-4,9-二氢-s-茚并[1,2-b:5,6-b’]二噻吩-2,7-二基)双(苯并[c][1,2,5]噻二唑-7,4-二基)双(亚甲叉))双(3-乙基-2-硫代-4-噻唑烷二酮)(O-IDTBR)为受体的共混活性层的光伏器件取得了0.986 V的开路电压和2.58%的光电转化效率。     

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。     

高效率窄带隙聚合物太阳能电池材料

太阳能电池能够将太阳能直接转化为电能,是利用太阳能资源的一种非常有效的手段。聚合物太阳能电池因成本低、重量轻、制备方便和可制成柔性器件的优点,已经成为该领域的研究热点之一。基于窄带隙共轭聚合物给体/富勒烯受体复合材料体系制得的太阳能电池的最高转换效率已经达到8.3%,而寻找性能更优异的聚合物给体材料是进一步提高光伏性能的关键因素。本文综述了近几年关于高效率窄带隙聚合物太阳能电池给体材料的研究进展,着重介绍了苯并噻二唑类共聚物、稠环噻吩类共聚物和吡嗪类共聚物等窄带隙聚合物给体材料体系及相应光伏器件的性能,分析了各种材料的优点和不足,并对今后这一领域的发展做了展望。     

聚合物太阳能光伏技术研究进展

聚合物太阳电池因其结构简单、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,成为发展绿色可再生能源的重要方向。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,并在共轭聚合物给体材料中对聚噻吩衍生物以及窄带隙D-A共聚物进行了重点介绍。同时讨论了薄膜优化和器件稳定性,最后从提高电池效率的几个方面展望了聚合物太阳电池的发展方向。     

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.     

Planar Conjugated Polymers Containing 9,10‐Disubstituted Phenanthrene Units for Efficient Polymer Solar Cells

Four novel conjugated polymers ( P1‐4 ) with 9,10‐disubstituted phenanthrene (PhA) as the donor unit and 5,6‐bis(octyloxy)benzothiadiazole as the acceptor unit are synthesized and characterized. These polymers are of medium bandgaps (2.0 eV), low‐lying HOMO energy levels (below −5.3 eV), and high hole mobilities (in the range of 3.6 × 10⁻³ to 0.02 cm² V⁻¹ s⁻¹). Bulk heterojunction (BHJ) polymer solar cells (PSCs) with P1‐4 :PC₇₁BM blends as the active layer and an alcohol‐soluble fullerene derivative (FN‐C60) as the interfacial layer between the active layer and cathode give the best power conversion efficiency (PCE) of 4.24%, indicating that 9,10‐disubstituted PhA are potential donor materials for high‐efficiency BHJ PSCs.

     

基于一种新型聚噻吩衍生物为给体的非富勒烯聚合物太阳能电池

With the development of non-fullerene small-molecule acceptors, non-fullerene polymer solar cells (PSCs) have garnered increased attention due to their high performance. While photons are absorbed and converted to free charge carriers in the active layer, the donor and acceptor materials both play a critical role in determining the performance of PSCs. Among the various conjugated-polymer donor materials, polythiophene (PT) derivatives such as poly(3-hexylthiophene), have attracted considerable interest due to their high hole mobility and simple synthesis. However, there are limited studies on the applications of PT derivatives in non-fullerene PSCs. Fabrication of highly efficient non-fullerene PSCs utilizing PT derivatives as the donor is a challenging topic. In this study, a new PT derivative, poly[5, 5′-4, 4′-bis(2-butyloctylsulphanyl)-2, 2′-bithiophene-alt-5, 5′-4, 4′-difluoro-2, 2′-bithiophene] (PBSBT-2F), with alkylthio groups and fluorination was synthesized for use as the donor in non-fullerene PSC applications. The absorption spectra, electrochemical properties, molecular packing, and photovoltaic properties of PBSBT-2F were investigated and compared with those of poly(3-hexylthiophene) (P3HT). The polymer exhibited a wide bandgap of 1.82 eV, a deep highest occupied molecular orbital (HOMO) of -5.02 eV, and an ordered molecular packing structure. Following this observation, PSCs based on a blend of PBSBT-2F as the donor and 3, 9-bis(2-methylene-(3-(1, 1-dicyanomethylene)-indanone)-5, 5, 11, 11-tetrakis(4-hexylphenyl)-dithieno-[2, 3-d:2′, 3′-d′]-s-indaceno[1, 2-b:5, 6-b′]dithiophene (ITIC) as the acceptor were fabricated. The absorption spectra were collected and the energy levels were found to be well matched. These devices exhibited a power conversion efficiency (PCE) of 6.7% with an open-circuit voltage (V_OC) of 0.75 V, a short-circuit current density (J_SC) of 13.5 mA·cm^-2, and a fill factor (FF) of 66.6%. These properties were superior to those of P3HT (1.2%) under the optimal conditions. This result indicates that PBSBT-2F is a promising donor material for non-fullerene PSCs.     

Crystalline Conjugated Polymers for Organic Solar Cells: From Donor,Acceptor to Single‐Component

Organic solar cells have made rapid progress in the last two decades due to the innovation of conjugated materials and photovoltaic devices. Microphase separation that connects with materials and devices plays a crucial role in the charge generation process. In this account, we summary our recent works of developing new crystalline conjugated polymers to control the microphase separation in thin films in order to realize high performance in solar cells, including crystalline diketopyrrolopyrrole‐based donor polymers, perylene bisimide‐based electron acceptors, and “double‐cable” conjugated polymers that contain covalently‐linked crystalline donor and acceptor in one material for single‐component organic solar cells.