苯基取代苯并二噻吩二酮构建新型聚合物及其光伏性能研究

随着材料和器件的不断发展,有机光伏(OPV)的器件效率不断提升,但制备仍存在较多额外加工工艺,不利于其大规模生产.如何合理调控活性层材料的溶解性、结晶性和两相形貌来简化器件制备工艺,实现高性能的as-cast器件将十分具有科学意义.本工作通过设计合成苯基取代的苯并二噻吩二酮单元(二维BDD)作为共聚单元,制备了三种新型聚合物材料.当二维BDD单元摩尔分数为10%时, FBDT-m10能实现良好的聚集性能和加工性能,与Y6-BO共混制备的as-cast器件就可以得到良好的活性层形貌,最终实现了71.14%的填充因子及16.06%的器件效率.     

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。     

新型基于二氟苯并噻二唑和双噻吩丙烯腈共轭聚合物的设计、合成及光伏性能

设计并合成了两种基于5,6-二氟苯并噻二唑和双噻吩丙烯腈单元的D-A型共轭聚合物,聚[(5,6-二氟-苯[c][1,2,5]噻二唑-4,7-基)-交替-((E)-2,3-双(3'-(2-辛基十二烷基)-(2,2'-双噻吩)-5,5'-基)丙烯腈)](DFBT812)和聚[(5,6-二氟-苯[c][1,2,5]噻二唑-4,7-基)-交替-((E)-2,3-双(3'-(2-癸基十四烷基)-(2,2'-双噻吩)-5,5'-基)丙烯腈)](DFBT1014)作为聚合物太阳电池的给体材料。通过侧链工程,引入了2-辛基十二烷基和2-癸基十四烷基侧链实现对聚合物的溶解性,结晶性以及共混膜形貌的调节。研究结果表明,共轭聚合物DFBT812与PC_(61)BM的共混膜表现出更好的相分离尺度,能够促进载流子的传输和抽取。基于共轭聚合物DFBT812的太阳电池器件取得了0.87 V的开路电压和6.25%的能量转换效率。除此之外,基于DFBT812的聚合物太阳电池器件在活性层厚度为220 nm时仍然表现出6%的能量转换效率。     

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。     

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。     

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。     

基于双噻吩酰亚胺聚合物给体的侧链调控与光伏性能研究（英文）

采用苯并二噻吩(BDT)作为给电子单元,分别与具有2-乙基己基和甲基侧链的双噻吩酰亚胺(BTI)缺电子单元共聚构筑了两个聚合物给体材料(pBDT-BTI-EH和pBDT-BTI-ME).与pBDT-BTI-EH∶Y6相比,基于p BDT-BTI-ME∶Y6的器件具有更高的电荷迁移率、更低的载流子复合、更高的激子解离以及更优的薄膜形貌,从而获得了更高的短路电流密度(J_SC)和填充因子(FF),电池的能量转换效率由9.31%提高到15.69%.     

苯并噻二唑单元在聚合物光伏材料设计中的应用

聚合物太阳能电池因其易于加工、可制备成柔性器件、材料来源广泛等优点得到材料界和能源界的广泛关注。有机太阳能电池效率的不断提高主要得益于材料的发展和电池器件结构的优化。从材料设计角度考虑,种类众多的给体和受体单元被开发用来构建有机共轭分子,其中,苯并噻二唑单元由于共轭平面较大和吸电子性较强的特性被广泛用于构建高性能的有机太阳能电池材料。基于此,本文首先介绍了苯并二噻吩单元及其衍生物常见的合成方法,随后总结了其在构建聚合物给体方面的应用,最后对其后续发展方向和前景提出了展望。     

通过F取代调节BDT衍生物给体材料的光伏性能

设计了3个由不同数量的F原子取代的苯并[1,2-b;4,5-b′]二塞吩(BDT)衍生物及其二聚体,采用密度泛函理论研究其电子结构和轨道能级,着重探讨了F原子取代对开路电压的影响.采用含时密度泛函理论模拟了光谱性质,明确了F原子取代对短路电流的影响;同时采用跃迁密度矩阵探讨了它们的激子耦合能力,进而推测F原子取代对光电转换效率的影响,为设计合成新型高效有机太阳能电池给体材料提供了重要的理论依据.     

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.     

太阳能转换过程中的高分子应用

近年来,在太阳能利用的科学领域内,高分子材料得到了广泛的应用。本文从太阳能工艺学和太阳能转换两个方面对此问题作了介绍和讨论。     

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.     

卤代苯丙氨酸衍生物的合成与拆分

以苯胺类化合物为起始原料,经重氮化、丙烯酸加成、氨解等过程合成了5种消旋苯环取代苯丙氨酸衍生物,并采用α-糜蛋白酶和枯草杆菌蛋白酶对所有氨基酸进行了拆分,通过IR,¹HNMR,元素分析和旋光等技术进行表征.其中4种氨基酸未见文献报道.     

Organic Functionalized Carbon Nanostructures for Solar Energy Conversion

This review presents an overview of the use of organic functionalized carbon nanostructures (CNSs) in solar energy conversion schemes. Our attention was focused in particular on the contribution of organic chemistry to the development of new hybrid materials that find application in dye-sensitized solar cells (DSSCs), organic photovoltaics (OPVs), and perovskite solar cells (PSCs), as well as in photocatalytic fuel production, focusing in particular on the most recent literature. The request for new materials able to accompany the green energy transition that are abundant, low-cost, low-toxicity, and made from renewable sources has further increased the interest in CNSs that meet all these requirements. The inclusion of an organic molecule, thanks to both covalent and non-covalent interactions, in a CNS leads to the development of a completely new hybrid material able of combining and improving the properties of both starting materials. In addition to the numerical data, which unequivocally state the positive effect of the new hybrid material, we hope that these examples can inspire further research in the field of photoactive materials from an organic point of view.     

Efficient Synthesis of Substituted Indene Derivatives

An efficient protocol for the synthesis of new functionalized indenes 3 was successfully realized. Thus the coupling reaction of allyl acetate 2 with Grignard reagents in the presence of a catalytic amount of LiCuBr₂ at low temperature afforded pure ethyl 1-alkyl-1H-indenes-2-carboxylate 3 in good yields.     

Photoinduced Betaine Generation for Efficient Photothermal Energy Conversion

The conversion of solar energy to thermal, chemical, or electrical energy attracts great attention in chemistry and physics. There has been a considerable effort for the efficient extraction of photons throughout the entire solar spectrum. In this work light energy was efficiently harvested by using a long-lived betaine photogenerated from an acridinium-based electron donor–acceptor dyad. The photothermal energy-conversion efficiency of the dyad is significantly enhanced by simultaneous illumination with blue (420–440 nm) and yellow (>480 nm) light in comparison with the sum of the conversion efficiencies for individual illumination with blue or yellow light. The enhanced photothermal effect is due to the photogenerated betaine, which absorbs longer-wavelength light than the dyad, and thus the dyad–betaine combination is promising for efficient photothermal energy conversion. The mechanisms of betaine generation and energy conversion are discussed on the basis of steady-state and transient spectral measurements.     

胺烷基侧链取代三苯胺类红光聚合物的合成及性能研究

通过Suzuki偶合反应合成了一系列胺烷基侧链取代的基于三苯胺和芴的共轭聚合物聚[4-(N,N-二甲基胺丙氧基)苯-4,4′-二苯胺-9,9-二辛基芴-4,7-二噻吩-2-基-2,1,3-苯并噻二唑](PFTD), 并对其化学结构和光电性能进行了表征. 末端胺基的存在提高了此类聚合物作为发光层应用于聚合物电致发光器件的性能(采用高功函数的金属铝作为阴极时). 结构为ITO/PVK/PFTD-5(DBT摩尔分数为5%时的聚合物)/Al的器件最大电致发射峰位于647 nm, 最大外量子效率达到了1.24%.     

高性能黑色纳米二氧化钛材料研究

二氧化钛是最重要的光电半导体材料之一, 纳米二氧化钛作为最重要的光催化剂所面临的巨大挑战是无法吸收可见光而导致太阳能利用效率低下. 拓展二氧化钛的光谱响应范围是提高其太阳能利用效率的关键. 最近发展的可以有效吸收可见光的黑色二氧化钛受到广泛关注, 我们针对黑色纳米二氧化钛材料展开了一系列工作, 发展出多种黑色二氧化钛材料的制备方法, 获得了太阳能高吸收、 高效光催化的材料. 本文综合了我们的部分研究工作, 概述了所制备黑色纳米二氧化钛的物化性质、 制备方法及其应用, 并提出了该材料的研究方向.     

Efficient Route for the Synthesis of Highly Substituted Pyrroles

A mild and efficient synthesis of highly substituted pyrroles using the reaction of triphenylphosphine, α-diketone, ammonium acetate, and dialkyl acetylenedicarboxylates is described.