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.     

非富勒烯型聚合物太阳电池取得超过11%的光伏效率

非富勒烯型聚合物太阳电池,由于其非富勒烯类受体材料可易于通过分子设计获得与聚合物给体材料互补的光吸收、匹配的电子能级从而有可能获得更高的效率,而受到了越来越多的关注.最近的研究发现,采用非富勒烯型受体材料与一种新型中等带隙聚合物给体材料可实现创纪录的11.2%的能量转换效率.这一成果预示非富勒烯受体将成为聚合物太阳电池研究下一波的新热点,并有可能成为这一类太阳电池新的突破口.     

基于富勒烯和噻吩聚合物的本体异质结太阳电池

随着全球能源需求量的逐年增加,对可再生能源的有效利用成为亟待解决的问题。现在使用的能源多来自矿物燃料的开采,其中包括石油、天然气和煤等,而这些资源是非常有限的。因此,发展新能源和新能源材料是我国进入21世纪必须解决的重大课题,其中太阳能被认为是清洁可再生新能源的代表之一。基于噻吩跟富勒烯的异质结太阳能电池是目前太阳能电池的重要发展方向之一。该种太阳能电池因其制备简单、成本低廉、重量轻和可制成柔性器件等优点近年来受到多方的广泛重视。经过努力,该种太阳能电池的光电转化性能已经得到了一定提高,最高光电转化效率已达到7%左右,但是跟无机半导体硅和染料敏化太阳能电池相比还有一定差距。因此,这方面的研究任重而道远,研究空间也非常大。本文从材料合成的角度,简要综述了近年来国内外在基于富勒烯和噻吩的异质结太阳能电池方面所取得的最新研究进展,并对下一步需要研究的热点问题作了展望。     

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。     

基于侧链不对称喹喔啉聚合物的高效非富勒烯太阳电池

喹喔啉衍生物由于合成简单,易功能化,成本较低等特点在众多领域都有广泛应用。其自身具有平面刚性结构,也是构建光电聚合物的重要单体。基于喹喔啉单元的有机分子化学结构和电子结构可修饰性强,通过骨架、侧链和取代基等修饰,易于调控分子的能级和吸光光谱,因此,当使用喹喔啉体系的共轭给体与球形富勒烯受体(如PCBM)及弱结晶性非富勒烯受体(如ITIC)均可表现出优异的光伏性能。在本工作中,基于结晶性较强的非富勒烯受体(o-IDTBR),我们首次制备出侧链不对称喹喔啉(简称：不对称喹喔啉)基聚合物(TPQ-1)与之匹配。相比于侧链对称性喹喔啉(简称：对称喹喔啉)(HFQx-T)与o-IDTBR组合,“弱结晶给体-强结晶受体”组合能表现出更佳均匀的相分离尺度,从而获得更高的短路电流及能量转换效率。TPQ-1与o-IDTBR共混后器件效率为8.6%,加入15%的TB7-Th后,器件效率达到9.6%。     

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。     

P3HT/非富勒烯受体异质结有机太阳电池

非富勒烯受体材料在分子设计、光吸收及能级等多方面具有极其丰富的可调控性, 使得基于非富勒烯电子受体的本体异质结有机太阳电池(BHJ OSC) 近年得以迅速发展。P3HT聚合物作为被广泛研究的第二代有机半导体材料, 其价格便宜、具有较好的结晶性以及优异的载流子传输性能, 是经典的电子给体材料。本文综述了近年来以P3HT聚合物为给体、非富勒烯类有机化合物为电子受体的有机太阳电池研究进展, 探讨了P3HT/非富勒烯受体BHJ OSC中, 影响器件效率提升的关键因素, 以及电子受体优化设计方面的相应要求。对基于P3HT/非富勒烯受体 BHJ OSC器件的研究前景进行了展望。     

非富勒烯电子受体多尺度分子聚集体

有机太阳能电池的光活性层由p型电子供体和n型电子受体构成.这些有机半导体分子的共轭结构和杂元素使其分子间存在强非共价键作用,易于自组装形成分子聚集体,展现出与单个分子截然不同的光电性能,更决定了太阳能电池光吸收、激子解离和电荷传输等光电转换过程.本文介绍了n型非富勒烯电子受体材料在分子及微纳尺度下的多级聚集体形态,包括强结晶性非富勒烯受体的堆叠、成核、结晶机制与抑制手段,以及弱有序非富勒烯受体无规聚集及有序性提升策略.最后,重点讨论了非富勒烯电子受体纤维化的研究进展及关键技术,并对未来高性能非富勒烯电子受体的结构设计和聚集调控进行了总结和展望.     

小分子优先结晶构筑聚合物/非富勒烯共混体系互穿网络结构

非富勒烯小分子受体(SMAs)有序聚集决定聚合物/非富勒烯共混体系光伏电池的双分子复合几率。 然而,由于非对称相分离聚合物趋于优先形成网络,抑制小分子受体分子结晶。 在聚[(2,6-(4,8-二(5-(2-乙基己基噻吩-2-基)苯并[1,2-b:4,5-b']二噻吩))-alt-(5,5-(1',3'-二-2-噻吩基-5',7'-二(2-乙基己基)苯并[1',2'-c:4',5'-c']二噻吩-4,8-二酮))](PBDB-T)/9-二(2-亚甲基(3-(1,1-二氰基亚甲基)-6,7-二氟-茚酮))-5,5,11,11-四(4-己基苯基)-二噻吩并[2,3-d:2',3'-d']-s-引达省[1,2-b:5,6-b']二噻吩(IT-4F)共混体系,四氢呋喃蒸汽处理可提高IT-4F结晶性,150 ℃热退火可提高PBDB-T的结晶性。 因此,依次利用蒸汽退火和热退火处理薄膜,诱导小分子先结晶、聚合物后结晶,从而降低PBDB-T对小分子扩散的限制,构建高结晶互穿网络结构。 形貌优化后降低了双分子复合,器件光电转换效率从5.95%提高至7.18%。     

苝二酰亚胺:有机膦盐基双组份共混电子传输层及其开路电压接近1.0 V的非富勒烯聚合物太阳电池

The fabrication of high-efficiency organic solar cells requires a cathode interlayer (CIF) having multiple properties such as forming an ohmic contact with the active layer, high electron conductivity, low-density traps, and hole blocking. These roles can be more completely fulfilled by using a suitable binary blended CIF rather than a single molecule based CIF. In this article, we present the roles by using binary blended PDINO (amino N-oxide perylene diimide) and QPhPBr (tetraphenylphosphonium bromide) as the CIF to fabricate fullerene-free polymer solar cells (PSCs) with PBDB-T:IDTBR, a new donor: acceptor combination, as the active layer. The high-lying lowest unoccupied molecular orbital of the acceptor and the low-lying highest occupied molecular orbital (HOMO) of the polymer with small driving force (the donor-acceptor HOMO-HOMO energy offset, ∆HOMO) for the hole transfer, both result in a high open circuit voltage (V_oc). Moreover, our strategy to insert a dual mixed solution of CIF over the blended active layer better facilitates the role, which significantly improves charge extraction and collection, leading to the high V_oc, short-circuit current density (J_sc), and fill factor (FF) observed in comparison to a single CIF material. It was observed that the power conversion efficiency (PCE) increases to 8.27%, with a high V_oc of 1.0 V, using a binary mixture of CBL. Such tremendous improvements in V_oc using well known polymer donors have not been reported till date in binary solar cell systems. This idea demonstrates that the minimum energy loss because of the small ∆HOMO of the D-A combination and the use of a dual mixed layer of CBL together present the future prospects of non-fullerene photovoltaic devices for researchers.     

通过非共价构象锁定和端基工程策略设计高效率的A-D-A型稠环电子受体

近年来,非富勒烯太阳能电池的发展迅猛。目前报道的高效率的非富勒烯稠环电子受体主要采用受体-给体-受体(A-D-A)型结构。本工作中,我们在给受体间引入3,4-二己氧基噻吩作桥,用5,6-二氯-3-(二氰基亚甲基)靛酮作端基设计合成了一种新的稠环电子受体(ITOIC-2Cl)。一方面,可以通过S···O和O···H等作用在分子内形成非共价键构象锁促进分子的平面性;另一方面,通过增加端基的缺电子性可以增强分子内的电荷迁移。在两者的协同作用下,ITOIC-2Cl的光谱吸收拓宽到近红外区,这有利于获得宽的光谱响应。将ITOIC-2Cl与一种吸收互补的给体聚合物(PBDB-T)共混制备活性层,我们用原子力显微镜(AFM)和透射电子显微镜(TEM)表征其形貌,发现共混薄膜可以形成纤维状的互传网络结构和合适纳米尺寸的相分离,这有利于电荷的分离和传输,从而获得高的短路电流(J_(sc))和填充因子(FF)。最终,基于PBDB-T:ITOIC的电池,我们获得了9.37%的光电转换效率,其开路电压(V_(oc))为0.886 V,J_(sc)为17.09 mA·cm~(-2),FF为61.8%。这些研究结果为我们提供了一种设计高效率的非富勒烯稠环电子受体的有效的策略。     

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。     

理性调控聚合物给体-非富勒烯受体的混溶性制备高效率有机太阳能电池※

除了非富勒烯受体的设计与合成, 聚合物给体的选择对非富勒烯太阳能电池的光伏性能同样重要. 本工作设计并合成一种共轭骨架无sp³杂化碳原子的新型非富勒受体(命名为MDB), 并将其作为模型化合物研究给受体混溶性和分子有序堆积对太阳能电池性能的影响. 本工作选择三种宽带隙聚合物给体(PM6、J71和P3HT)与MDB共混来制备太阳能电池. 得益于MDB和PM6之间适度的混溶性, 由二者组成的混合膜表现出合适的相分离, “face-on”的分子取向和更紧密有序的分子堆积, 从而促进了载流子传输, 并抑制了电荷复合. 因此基于PM6:MDB的器件实现了13.26%的优异光电转换效率, 远高于基于J71:MDB (8.16%)和P3HT:MDB (0.45%)的器件. 该工作证明了给体-受体之间合适的混溶性是实现高效率有机太阳能电池的关键因素之一, 这对有机光伏材料的设计与合成具有重要指导意义.     

基于芳环取代酰亚胺端基的非富勒烯受体材料的合成与光伏性能

端基结构对于有机太阳能电池(OSCs)中非富勒烯受体(NFAs)的光电性能具有重要影响.本文设计合成了3种新型芳环取代的酰亚胺结构的端基(IIC-Ph, IIC-PhBr和IIC-Ph2F),并将其用于制备受体-给体(受体)给体-受体(A-DA′D-A)型NFAs(BTP-IIC-Ph, BTP-IIC-PhBr和BTP-IIC-Ph2F).紫外-可见-近红外吸收光谱对比和理论模拟结果表明,相比于IIC-Ph端基, IIC-PhBr和IIC-Ph2F端基具有更强的吸电子能力,增强了NFAs的分子内电荷转移效应(ICT),促使了吸收红移.端基苯环上强吸电子的溴原子和氟原子的引入,降低了A-DA′D-A型受体的前线轨道能级.基于BTP-IIC-Ph, BTP-IIC-PhBr和BTP-IIC-Ph2F的二元电池分别获得了13.54%, 11.84%和11.58%的能量转换效率(PCEs).相比于BTP-IIC-PhBr和BTP-IIC-Ph2F,基于BTP-IIC-Ph的电池表现出更好的光伏性能,这主要归因于其较高的最低未占有轨道能级(LUMO)所导致的较高开路电压(VOC),以及更好的激...     

体异质结型聚合物太阳电池

聚合物太阳电池因具有重量轻、制备工艺简单、成本低等特点近年来受到了国内外的广泛关注.其中体异质结型聚合物太阳电池(bulk heterojunction polymer solar cell,BHJ-PSC)是目前报道的具有高性能的器件之一.本文系统地综述了BHJ-PSC的最新研究进展.首先介绍了BHJ-PSC的结构及...     

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。     

骨架非稠合的电子受体在聚合物太阳能电池中的应用

Non-fullerene electron acceptors have attracted enormous attention of the research community owing to their advantages of optoelectronic and chemical tunabilities for promoting high-performance polymer solar cells (PSCs). Among them, fused-ring electron acceptors (FREAs) are the most popular ones with the good structural planarity and rigidity, which successfully boost the power conversion efficiencies (PCEs) of PSCs to over 14%. In considering the cost-control of future scale-up applications, it is also worthwhile to explore novel structures that are easy to synthesize and still maintain the advantages of FREAs. In this work, we design and synthesize a new electron acceptor with an unfused backbone, 5, 5'-((2, 5-bis((2-hexyldecyl)oxy)-1, 4-phenylene)bis(thiophene-2-yl))bis(methanylylidene)) bis(3-oxo-2, 3-dihydro-1H-indene-2, 1-diylidene))dimal-ononitrile (ICTP), which contains two thiophenes and one alkoxy benzene as the core and 2-(3-oxo-2, 3-dihydroinden-1-ylidene) malononitrile (IC) as the terminal groups. The synthetic route to ICTP involves only three steps, with high yields. Density functional theory calculations indicate that the non-covalent interactions, O…H and O…S, help reinforce the space conformation between the central core and the terminals. ICTP shows broad and strong absorption in the long-wavelength range between 500 and 760 nm. The highest occupied molecular orbital and lowest unoccupied molecular orbital levels of ICTP were measured to be -5.56 and -3.84 eV by cyclic voltammetry. The suitable absorption and energy levels make ICTP a good acceptor candidate for medium bandgap polymer donors. The best devices based on PBDB-T:ICTP showed a PCE of 4.43%, with an open circuit voltage (V_OC) of 0.97 V, a short circuit current density (J_SC) of 8.29 mA∙cm^-2, and a fill factor (FF) of 0.55, after adding 1% 1, 8-diiodooctane (DIO) as the solvent additive. Atomic force microscopy revealed that DIO could ameliorate the strong aggregation in the blended film and lead to a smoother film surface. The hole and electron mobilities of the optimized device were measured to be 9.64 and 2.03 × 10^-5 cm²∙V^-1∙s^-1, respectively, by the space-charge-limited current method. The relatively low mobilities might be responsible for the moderate PCE. Further studies can be performed to enlarge the conjugation length by including more aromatic rings. This study provides a simple strategy to design non-fullerene acceptors and a valuable reference for the future development of PSCs.     

聚合物太阳能电池高效共轭聚合物给体和富勒烯受体光伏材料

聚合物太阳能电池（PSC）由共轭聚合物给体和富勒烯衍生物受体的共混膜（活性层）夹在ITO透明导电玻璃正极和低功函数金属负极之间所组成,具有制备过程简单、成本低、重量轻、可制备成柔性器件等突出优点,近年来成为国内外研究前沿和热点。当前研究的焦点是提高器件的光电能量转换效率,而提高效率的关键是高效共轭聚合物给体和富勒烯衍生...     

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。