聚3-己基噻吩：非富勒烯太阳能电池中的量子效率损失和电压损失

聚3-己基噻吩(P3HT)以其合成工艺简单、成本低廉的优势,成为有机光伏领域中最具吸引力的电子给体材料之一。然而,目前P3HT: 非富勒烯太阳能电池的光伏性能仍然较差。在本工作中,我们证明了与P3HT: 富勒烯太阳能电池相比,较快的电荷转移态的非辐射衰减速率(K_nr)是导致P3HT: 非富勒烯太阳能电池中较低的量子效率和较高的电压损失的原因。然后,我们研究了基于非富勒烯受体ZY-4Cl的太阳能电池的工作机理。研究结果表明与P3HT: 非富勒烯体系相比,P3HT: ZY-4Cl中K_nr的降低改善了器件的量子效率,同时降低了电压损失。K_nr降低的原因可以部分归因于电荷转移态能量的增加。此外,给体分子和受体分子之间的距离(DA间距)的增大也是K_nr减少的重要原因。因此,我们得出结论：为了提高P3HT太阳能电池的性能,需进一步降低器件的K_nr,这可通过增加活性层中的DA间距来实现。     

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。     

基于非富勒烯受体的溶液加工型全小分子太阳能电池研究进展

有机太阳能电池(OPV),具有质量轻、可成本低制备等优势,是一种具有实际应用潜力的光伏技术。有机太阳能电池活性层可以由共轭聚合物或溶液可加工的小分子材料(给体与受体)共混组成。由于小分子材料具有明确的分子结构,纯度可控及无批次差别影响的特点;并结合近年来非富勒烯小分子受体的快速发展,使得非富勒烯全小分子(NF-SM-OPV)电池研究受到广泛关注。由于大部分A-D-A型非富勒烯受体分子具有各向异性的特点,这使激子解离和电荷传输,很大程度上受分子间堆积方式的影响,导致非富勒烯全小分子电池活性层形貌调控更加复杂。虽然非富勒烯小分子太阳能电池具有非富勒烯受体材料和小分子材料的双重优势,但高效率非富勒烯小分子太阳能电池的制备,仍具有很大挑战。因此,本文总结近年来高性能非富勒烯小分子太阳能电池的相关进展。着重介绍针对非富勒烯受体的给体小分子材料设计工作,并在此基础上近一步讨论非富勒烯小分子太阳能电池面临的挑战与展望。     

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%)。     

非富勒烯类有机小分子受体材料

在本体异质结太阳能电池的研究过程中,异质结活性层材料的发展一直是最基本最核心的部分,活性层材料包括给体材料和受体材料,其中给体材料的研究一直占据着主导地位,很多课题组报道的器件效率已经超过8%;而受体材料的研究却相对单一,大部分研究都围绕富勒烯及其衍生物.近年来非富勒烯类的有机小分子受体材料由于其易于合成与纯化、通过分子设计使能级更方便调节等优点引起了人们的广泛关注并且取得了很大进展,目前以它作为受体材料的电池效率可以达到4%.综述了近年来几类非富勒烯类有机小分子受体材料的研究进展,包括它们的分子设计及其在光伏器件中的应用,最后我们讨论了提高非富勒烯类的有机小分子受体材料器件性能的关键因素及其研究前景.     

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.     

高结晶性小分子给体材料应用于全小分子有机太阳能电池中的研究进展

随着新型小分子给体材料和非富勒烯小分子受体材料的开发和应用, 非富勒烯全小分子有机太阳能电池(NF-ASM OSCs)的光电转换效率已经突破15%, 并逐渐接近聚合物太阳能电池的效率. 相比于聚合物电子给体材料, 小分子电子给体材料拥有其独特的优势, 例如合成批次性差异小、分子量明确和易于提纯等; 但是, 对小分子给体材料的结晶性难于精确调控, 使获得合适的纳米级结构的混合膜仍然是一个挑战. 本综述以给体小分子中心共轭单元的扩展为主线, 从分子设计的角度汇总了近年来对苯并二噻吩、萘并二噻吩和二噻并苯并二噻吩类小分子给体材料的结晶性研究, 并为进一步改善电池活性层形貌和获得更高的光伏性能提供了未来发展的建议.     

基于非共价相互作用的非富勒烯受体光伏材料研究进展

有机太阳能电池由于制备简单、成本低,而且易于制备大面积柔性电池,因而受到了研究人员的广泛关注.非富勒烯受体材料因具有合成相对简单、易于纯化、能级和带隙可调等优点,极大地促进了有机太阳能电池效率的提高.基于非富勒烯受体材料的太阳能电池已经成为目前有机太阳能电池的研究热点之一,而具有分子内非共价键相互作用的受体材料是非富勒烯受体体系的重要组成部分.通过引入O、F、N、Se等杂原子,形成分子内非共价键相互作用,可以有效提高非富勒烯受体材料的平面性和电荷迁移率,降低光学带隙并拓宽吸收光谱,从而进一步提高太阳能电池的光伏性能.本文介绍了近几年来基于分子内非共价键相互作用的聚合物和小分子非富勒烯受体材料的研究进展,并展望了其发展趋势和应用前景.     

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.     

萘酰亚胺-卟啉星型电子受体分子的构筑及其在非富勒烯太阳能电池中的应用

非富勒烯太阳能电池目前已经成为有机太阳能电池的研究热点,大量的共轭电子受体分子被开发,并成功应用到高性能光伏器件中。共轭分子作为非富勒烯电子受体,需要综合考虑吸收、能级、电子传输以及结晶性等,其中宽吸收光谱可以提高对太阳光谱的利用,是分子设计中重要因素之一。本工作中,我们设计一种新型电子受体分子,以卟啉为核、萘酰亚胺为端基以及炔为桥连基团。这种新型分子具有近红外的吸收光谱以及合适的能级。将一种具有吸收互补的共轭聚合物为电子给体,星型分子为电子受体应用到电池的活性层中,我们获得了1.8%的能量转换效率,电池的光谱响应为300–900 nm。实验结果证明了这种以卟啉为核的分子设计在实现近红外吸收的电子受体方面具有重要应用前景。     

支链带有富勒烯的聚噻吩和齐聚噻吩及其光伏电池研究进展

可溶性聚噻吩和富勒烯(主要是C60)及其衍生物,是聚合物太阳能电池中被广泛使用的给体和受体材料,它们之间的相容性和富勒烯的聚集效应对于太阳能电池能量转换效率有很大影响。将富勒烯与聚噻吩通过共价键连接在一起,可解决它们的共混膜中的相分离问题,有望提高器件效率,是未来有机和聚合物光伏材料研究的一个重要方向。本文按主链是聚噻吩或齐聚噻吩将这种连有富勒烯的材料分为两类,介绍了这些材料的合成方法、电化学性质及基于这些材料的太阳能电池器件近几年来的研究进展。     

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.     

基于苝酸酯受体光伏器件的性能表征

近十几年来,基于有机聚合物半导体材料的太阳能电池,由于具有价格低廉,易于加工,不受材料种类限制和易于制备大面积柔性器件等优点,而受到极大关注．自从1992年发现从共轭聚合物的基态到富勒烯存在光诱导电子转移现象以来,有机聚合物太阳能电池的研究取得了较大进展,研究较多的是共轭聚合物为给体(D),富勒烯为受体(A)的体系,能量转换效率可达3．3％,苝酸酯是一类液晶材料,其结构高度有序且含有4个吸电子的酰基,使得它们适合电子传输,且在普通有机溶剂中具有良好的溶解性,与共轭聚合物有较好的相容性,因此可制成薄膜,本文的研究表明,苝酸酯也是一类良好的电子受体,与共轭聚合物给体匹配,可用于制备光伏器件——太阳能电池。     

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。     

基于卟啉小分子给体与双组分富勒烯受体的高效三元有机太阳能电池（英文）

最近,有机太阳能电池中三元策略的出现使得高能量转化效率和简便的器件制备方式有望同时实现.大量实验证明,通过构造三元有机太阳能电池可以实现吸光互补以提高电流或者在能级间形成级联以提高开压.设计并合成了以并噻吩取代卟啉为核,通过炔键连接二酮吡咯并吡咯末端基团的新分子,命名为DEP-TT,该分子有较小的能带间隙(1.31 eV),光谱吸收可达898 nm.以该卟啉分子为给体,富勒烯PC71BM为受体制备双组分有机太阳能电池,效率可达7.46%,但开压相对较低(0.75 V).进一步研究发现,加入10%的富勒烯衍生物ICBA制备三元有机太阳能电池,效率可增大至8.15%,这是基于卟啉小分子为给体的有机太阳能电池取得相对较高效率的器件之一.由于PCBM和ICBA两组分间形成级联能级和协同作用,器件效率明显提高,这意味着三元有机太阳能电池的构建可以同时提高开压和电流,从而实现器件效率的全面提高.     

氟化策略:高效有机光伏材料的设计与应用

有机太阳能电池具有成本低廉、质量轻、柔性可折叠以及可以大面积印刷等优点,受到广泛关注。但与无机太阳能电池相比,其能量损失较高。在有机光伏分子中引入氟原子是一种有效提高器件性能的分子设计策略。本文从氟原子特点出发,总结了氟化给体、π桥和受体单元对分子能级调控和形貌优化的作用,阐明了氟原子降低能量损失的内在原因;并通过代表性分子设计实例,简要阐述了氟化策略在高效聚合物给体材料、高效可溶性小分子给体材料以及高效非富勒烯受体材料中的应用;最后,对氟化策略的应用进行了总结,并展望了未来的研究方向。     

轮烷结构优化聚合物太阳能电池光伏性能

聚合度高低会影响聚合物太阳能电池(PSC)活性层的共混微观结构,导致其器件性能存在较大差异,一般在聚合度较低时,PSC的能量转化效率(PCE)通常因电荷传输受到影响而明显降低.为解决这一问题,本工作将环状化合物冠醚与聚合物以非共价键的方式组成轮烷结构,合成了四种具有不同冠醚含量且聚合度较低的给体材料PM6-C1、PM6-C2、PM6-C3和PM6-C4.在保留聚合物本身优异光电性质的同时,适量轮烷结构带来的非共价相互作用使活性层形成合适的纤维状网络结构和良好的相分离尺度,增强了器件的电荷提取效率,减少了陷阱/双分子复合,从而导致高的电荷传输与收集效率.基于PM6-C2的器件最终实现了16.23%的PCE,高于基于PM6-L的器件(15.33%),表明轮烷结构有助于改善聚合物太阳能电池活性层形貌,在PSC材料研究中具有极大的潜力.     

有机太阳能电池获得超过13%的能量转换效率

正有机太阳能电池(简称OSCs)是一种新型的光伏器件,可以通过低成本的溶液加工方法制备大面的柔性器件,得到了国内外学术界和工业界的广泛关注~1。有机光活性材料(包括电子给体和电子受体)的设计与应用是提高OSCs能量转换效率(简称PCE)的重要途径。富勒烯衍生物在以往的研究中是应用最为广泛的电子受体材料,经过多年的发展,以聚合物和小分子作为电子给体的OSCs都取得了11%以上的PCE~(2,3)。然而,鉴于富勒烯     

含萘并二噻吩小分子受体材料的带隙调控及其在非富勒烯太阳能电池中的应用（英文）

与富勒烯受体材料相比,非富勒烯受体材料具有更强光吸收、可调的带隙和前沿电子轨道能级等优点。本工作中,我们将报道新型含萘并二噻吩小分子受体材料的设计与合成。该材料的吸电子端基与稠环核之间含有一个噻吩桥,因此与不含噻吩桥的同类受体材料相比,该分子(DTNIT)具有更窄的带隙,能与经典的宽带隙聚合物给体PBDB-T实现更好的吸收互补。基于PBDB-T:DTNIT的聚合物太阳能电池实现了0.91 V的开路电压、增大的短路电流(14.42 mA?cm~(-2)),以及7.05%的光电转换效率。该光电转换效率接近于基于PBDB-T:PC71BM的倒置聚合物太阳能电池的效率(7.12%)。该工作不仅报道了一个新型高效非富勒烯受体的合成方法,同时提供了一种非富勒烯受体材料的能级调控策略。     

氯介导有机光伏材料

材料的合理设计对提高有机太阳能电池(OSCs)的能量转换效率(PCE)起着至关重要的作用.近年来有机太阳能电池在给受体材料的研究上取得了巨大成功,为能量转换效率快速增长做出了巨大贡献.目前其最高能量转换效率已经超过19%,显示出它们在实际应用中的巨大潜力.利用氯介导策略调控给受体材料性能被证明是一种有效的方法,具有重要的应用意义.通过努力,在不断取得的进展和积累的成果上,逐渐形成了“氯介导有机光伏材料体系”.此研究展望简要介绍了近年来利用氯介导策略发展的系列具有代表性的氯介导聚合物给体和非富勒烯受体材料体系;强调了氯原子在调控材料能级、分子间堆积、活性层薄膜形貌等方面的能力及其对器件光伏性能的重要影响,探究了其内在机理.此外,还讨论了未来在开发新型氯介导有机光伏材料时应考虑的一些关键问题,如转换效率、成本和稳定性.