聚合物太阳能电池给体材料研究进展

随着能源和环境问题日益严重,人们日益关注于太阳能的开发和应用。同时,无机太阳能电池因其自身原因而受到限制,聚合物太阳能电池受到更多的关注。在聚合物基的太阳能电池中,给体材料制约着电池效率的提高,其中材料的带隙和能级是影响其性能的主要因素。而通过研究和选取具有合适带隙和能级的给体材料可以有效地调节电池器件的效率。本文介绍了太阳能电池给体材料的设计原则与主要影响因素,并叙述了近年来该领域内的研究进展和以及发展前景。     

聚合物太阳能电池材料的研究进展

有机光伏技术为太阳能的有效利用提供了一条重要途径。有机太阳能电池因制造成本低廉、材料质量轻、加工性能好、易于携带等优势而备受关注。提高有机太阳能电池的光电转换效率是目前乃至未来的研究重点。设计和合成适合的窄带隙的共轭聚合物是提高有机太阳能电池光电转化效率的核心。综述了近年来基于窄带隙的共轭聚合物的太阳能电池材料的设计、制备和器件性能研究进展,探讨了目前存在的亟待解决的关键基础问题和未来发展方向。     

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。     

聚合物太阳能电池研究进展

有机材料是近年来新型太阳能电池的研究热点,本文按太阳能电池材料的组成分类,对太阳能电池的原理及其材料的种类进行了详细地总结,重点介绍了导电聚合物基的太阳能电池的研究进展.     

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。     

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.     

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。     

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.     

聚合物本体异质结型太阳能电池研究进展

聚合物本体异质结型太阳能电池是一种基于电子给体 /受体混合物薄膜的高效率有机光伏器件。文中介绍了近年来聚合物本体异质结型太阳能电池的最新研究进展 ,指出了目前存在的问题和今后的发展方向     

Recent Progress in Organic Solar Cells: A Review on Materials from Acceptor to Donor

In the last few decades, organic solar cells (OSCs) have drawn broad interest owing to their advantages such as being low cost, flexible, semitransparent, non-toxic, and ideal for roll-to-roll large-scale processing. Significant advances have been made in the field of OSCs containing high-performance active layer materials, electrodes, and interlayers, as well as novel device structures. Particularly, the innovation of active layer materials, including novel acceptors and donors, has contributed significantly to the power conversion efficiency (PCE) improvement in OSCs. In this review, high-performance acceptors, containing fullerene derivatives, small molecular, and polymeric non-fullerene acceptors (NFAs), are discussed in detail. Meanwhile, highly efficient donor materials designed for fullerene- and NFA-based OSCs are also presented. Additionally, motivated by the incessant developments of donor and acceptor materials, recent advances in the field of ternary and tandem OSCs are reviewed as well.     

有机太阳能电池材料研究新进展

介绍了有机太阳能电池研究的背景、基本原理、分类,并对有机太阳能电池材料进行了全面综述,包括小分子太阳能电池材料、大分子太阳能电池材料、D-A体系材料和有机无机杂化体系材料.     

Benzothiadiazole-based Conjugated Polymers for Organic Solar Cells

Benzothiadiazole(BT) is an electron-deficient unit with fused aromatic core, which can be used to construct conjugated polymers for application in organic solar cells(OSCs). In the past twenty years, huge numbers of conjugated polymers based on BT unit have been developed,focusing on the backbone engineering(such as by using different copolymerized building blocks), side chain engineering(such as by using linear or branch side units), using heteroatoms(such as F, O and S atoms, and CN group), etc. These modifications enable BT-polymers to exhibit distinct absorption spectra(with onset varied from 600 nm to 1000 nm), different frontier energy levels and crystallinities. As a consequence, BT-polymers have gained much attention in recent years, and can be simultaneously used as electron donor and electron acceptor in OSCs, providing the power conversion efficiencies(PCEs) over 18% and 14% in non-fullerene and all-polymer OSCs. In this article, we provide an overview of BTpolymers for OSCs, from donor to acceptor, via selecting some typical BT-polymers in different periods. We hope that the summary in this article can invoke the interest to study the BT-polymers toward high performance OSCs, especially with thick active layers that can be potentially used in large-area devices.     

有机太阳能电池简介与展望

太阳能是一种非常重要的可再生能源。将太阳能转化为电能的有机太阳能电池,因其具有重量轻,柔韧性好,可以进行大面积、低成本的柔性制备等优点,为解决未来全球的能源问题提供了一种选择。简要介绍了有机太阳能电池的发展、性能参数、工作机理和应用实例。     

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。     

Near Infrared Organic Semiconducting Materials for Bulk Heterojunction and Dye‐Sensitized Solar Cells

Dye sensitized solar cells (DSSCs) and bulk heterojunction (BHJ) solar cells have been the subject of intensive academic interest over the past two decades, and significant commercial effort has been directed towards this area with the vison of developing the next generation of low cost solar cells. Materials development has played a vital role in the dramatic improvement of both DSSC and BHJ solar cell performance in the recent years. Organic conjugated polymers and small molecules that absorb solar light in the visible and near infrared (NIR) regions represent a class of emering materials and show a great potential for the use of different optoelectronic devices such as DSSCs and BHJ solar cells. This account describes the emering class of near infrared (NIR) organic polymers and small molecules having donor and acceptors units, and explores their potential applications in the DSSCs and BHJ solar cells.     

Polymer Acceptors for High-Performance All-Polymer Solar Cells

All-polymer solar cells (all-PSCs) have attracted considerable attention owing to their pronounced advantages of excellent mechanical flexibility/stretchability and greatly enhanced device stability as compared to other types of organic solar cells (OSCs). Thanks to the extensive research efforts dedicated to the development of polymer acceptors, all-PSCs have achieved remarkable improvement of photovoltaic performance, recently. This review summarizes the recent progress of polymer acceptors based on the key electron-deficient building blocks, which include bithiophene imide (BTI) derivatives, boron-nitrogen coordination bond (B←N)-incorporated (hetero)arenes, cyano-functionalized (hetero)arenes, and fused-ring electron acceptors (FREAs). In addition, single-component-based all-PSCs are also briefly discussed. The structure-property correlations of polymer acceptors are elaborated in detail. Finally, we offer our insights into the development of new electron-deficient building blocks with further optimized properties and the polymers built from them for efficient all-PSCs.     

稠环电子受体光伏材料

基于非富勒烯受体的有机太阳能电池是化学和材料领域的热点前沿之一,中国领跑这个热点前沿.中国学者在非富勒烯受体材料方面取得了一系列重要的创新成果.我们提出了"稠环电子受体(FREA)"这一新概念,构建了高性能稠环电子受体新体系,发明了明星分子ITIC.我们的原创性工作引起了国内外同行的广泛关注和跟进.目前,基于稠环电子受体的有机太阳能电池效率已达到13%~14%,超过富勒烯体系.ITIC等稠环电子受体的出现颠覆了富勒烯受体在有机太阳能电池领域的统治地位,开创了有机太阳能电池的非富勒烯时代.本文简要评述了我们在高性能稠环电子受体设计与器件应用中的研究进展,并展望稠环电子受体的未来发展.