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.     

基于非富勒烯小分子受体Y6的有机太阳能电池

随着给/受体材料的不断发展,有机太阳能电池的器件效率不断取得进展.特别是非富勒受体分子Y6的出现,使单结有机太阳能电池的效率突破了15％.Y6已经应用到了有机太阳能电池各个方面并且极大提升了其性能.本综述主要总结了Y6在二元、三元和四元、逐层印刷、柔性、叠层和半透明等有机太阳能电池方面的研究情况,以及基于Y6三线态的有...     

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...     

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.     

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。     

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。     

协同富勒烯和非富勒烯受体提高卟啉全小分子三元有机太阳能电池的性能

将非富勒烯受体2,2′-{(2Z,2′Z)-[4,4,9,9-四(对己基苯)-4,9-二氢-S-引达省并二噻吩-2,7-二基]双(甲基亚基)}-双-(3-氧代-2,3-二氢-1H-茚-2,1-二亚甲基)二丙二腈(IDIC)作为第三组分引入小分子给体卟啉二聚体ZnP2-DPP和富勒烯(6,6)-苯基-C61-丁酸甲酯(PC₆₁BM)受体体系,构建了光电转换效率达12.18%的全小分子有机太阳能电池,高于ZnP2-DPP∶PC₆₁BM的9.47%和ZnP2-DPP∶IDIC的8.82%的光电转换效率.IDIC的引入扩大了光谱的吸收范围,并且促进了给受体之间的电荷转移,使得三元共混物中可以产生更高的光电流.另外,IDIC的加入优化了共混膜的形貌,分子取向也得到了明显的调整,形成了face-on和edge-on的混合取向,从而使活性层中形成了更有利的三维电荷传输通道,促进了短路电流密度和填充因子的提高.这种策略发挥了富勒烯和非富勒烯受体的优势,从而提高了有机太阳能电池的4个参数.     

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.     

有机太阳能电池中基于苝二酰亚胺结构小分子受体进展

最近几年,有机太阳能电池中的非富勒烯小分子受体研究引起了人们的兴趣。其中,苝二酰亚胺(PDI)类分子因具有良好的电子传输能力,较强的电子亲和力,稳定的光、热、化学性能以及化学结构的可设计性带来的性能可调控性而得到广泛的关注。本文总结了近三年来在体异质结有机太阳能电池应用方面PDI小分子受体的研究进展,重点关注了PDI分子结构对其性能的影响,希望为以后PDI类受体分子的设计思路起到一定的启发作用。     

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.     

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.     

Triplet Tellurophene‐Based Acceptors for Organic Solar Cells

Triplet materials have been employed to achieve high‐performing organic solar cells (OSCs) by extending the exciton lifetime and diffusion distances, while the triplet non‐fullerene acceptor materials have never been reported for bulk heterojunction OSCs. Herein, for the first time, three triplet molecular acceptors based on tellurophene with different degrees of ring fusing were designed and synthesized for OSCs. Significantly, these molecules have long exciton lifetime and diffusion lengths, leading to efficient power conversion efficiency (7.52 %), which is the highest value for tellurophene‐based OSCs. The influence of the extent of ring fusing on molecular geometry and OSCs performance was investigated to show the power conversion efficiencies (PCEs) continuously increased along with increasing the extent of ring fusing.     

Rigid Nonfullerene Acceptors Based on Triptycene–Perylene Dye for Organic Solar Cells

Three kinds of nonconjugated rigid perylene bisimide (PBI) derivatives based on a triptycene core were designed, synthesized and characterized. The unique three‐dimensional (3D) conformation of triptycene could enable formation of polymer with the favorable morphology for organic polymer solar cells (PSCs) by relieving the self‐aggregation of rigid PBI units. The low‐lying LUMO energy levels of these compounds demonstrated that they are very suitable for use as acceptors in organic solar cells. A higher power conversion efficiency (PCE) of 6.15 % was obtained for the blend film using the compound with two PBI units ( T‐2 ) as the acceptor and commercial poly[[4,8‐bis[5‐(2‐ethylhexyl)thiophene‐2‐yl]benzo[1,2‐b :4,5‐b ′]dithiophene‐2,6‐diyl][3‐fluoro‐2‐[(2‐ethylhexyl)‐carbonyl]thieno[3,4‐b ]thiophenediyl]] (PCE‐10) as the electron donor.     

可溶液加工给体-受体有机小分子太阳能电池材料研究进展

近年来,有机小分子体异质结太阳能电池因其制备工艺简单、廉价、轻便及柔性等优点而备受关注.理想的有机小分子给体材料是提高有机太阳能电池光电转换效率的基础.系统地综述了可溶液加工有机小分子太阳能电池给体材料的研究进展,并对其发展趋势和应用前景做了展望.     

Unfused Nonfullerene Acceptors Based on Simple Dipolar Merocyanines

Merocyanine (MC) dyes exhibit facile synthesis and attractive optical properties, making them widely studied as the donor materials in organic solar cells (OSCs). In this study, for the first time, simple indole-based MCs are successfully designed as unfused nonfullerene acceptors (NFAs) for OSCs by forming dimers with A−D-π-D−A structure, which possess enhanced photostability compared to the well-known ITIC acceptor and high electron mobility in blend films. When blended with P3HT donor, one of the dimers, i. e. Z2, shows a good cell efficiency of 3.53 %, which outperforms the performance of most of P3HT/NFA blends, particularly for unfused systems, and thus indicates good potential of simple MCs as NFAs.     

Effect of the Terminal Acceptor Unit on the Performance of Non-Fullerene Indacenodithiophene Acceptors in Organic Solar Cells

Four acceptor–donor–acceptor (A–D–A)-type molecules bearing indacenodithiophene as donating central core and various end-capping acceptor units have been designed and synthesised as n-type materials suitable for organic solar cells (OSCs). The studied optical and electrochemical properties supported by theoretical calculations revealed that the nature and the strength of the terminal groups exert a decisive influence on the polymer bulk-heterojunction OSC performance.     

Recent Progress on Semi-transparent Perovskite Solar Cell for Building-integrated Photovoltaics

The electricity consumption of buildings is tremendous; moreover, a huge amount of electricity is lost during distribution. Taking away this consumption can significantly reduce energy demand and greenhouse effect gas emission. One of the low-cost and renewable solutions to this issue is to install photovoltaic panels on the buildings themselves, namely, building-integrated photovoltaics(BIPVs). Using this technology, power generation roofs, windows, and facades can harvest solar radiation and convert to electricity for building power consumption. Semi-transparent perovskite solar cells(ST-PSCs) have attracted tremendous attention for the power generation windows, due to the excellent photoelectric properties, versatile fabrication methods, bandgap tunability, and flexibility. Here, an overview is provided on the recent progress of ST-PSCs for BIPV, which mainly focuses on the control of perovskite morphology, optical engineering for an efficient and semi-transparent ST-PSC. We also summarize recent development on various transparent electrodes and present prospects and challenges for the commercialization of ST-PSCs.     

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.     

基于二噻吩并吡咯π桥的窄带隙非富勒烯受体材料在有机太阳能电池中的应用

以不同烷基取代的二噻吩并吡咯(DTP)为π桥,连接吲哒省并二噻吩(IDT)中间单元和氰基茚酮(IC)或二氟代氰基茚酮(2F-IC)末端基团,设计并合成了6个窄带隙的非富勒烯受体材料。 其中,IDTDTP-C₂C₂-H和IDTDTP-C₂C₂-F中的DTP单元以1-乙基丙基为侧链,IDTDTP-C₆C₆-H和IDTDTP-C₆C₆-F中的DTP单元以1-己基庚基为侧链,IDTDTP-C₁₂-H和IDTDTP-C₁₂-F中的DTP单元以十二烷基为侧链。 6个分子均具有较窄的光学带隙(1.37~1.44 eV)。 相比于以IC为末端基团的分子(IDTDTP-C₂C₂-H、IDTDTP-C₆C₆-H和IDTDTP-C₁₂-H),由于氟原子的拉电子效应,以2F-IC为末端基团的分子(IDTDTP-C₂C₂-F、IDTDTP-C₆C₆-F和IDTDTP-C₁₂-F)具有红移的吸收光谱,以及更低的最高分子占有轨道能级(HOMO)和最低分子空轨道(LUMO)能级。 以宽带隙聚合物聚[2,6-(4,8-双(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)-5',7'-双(2-乙基己基)-苯并[1',2'-c:4',5'-c']二噻吩-4,8-二酮](PBDB-T)为给体材料,制备了有机太阳能电池器件。 PBDB-T:IDTDTP-C₆C₆-F共混薄膜具有较高且更平衡的空穴/电子迁移率,以及良好的形貌,基于PBDB-T:IDTDTP-C₆C₆-F的有机太阳能电池获得了6.94%的能量转换效率,开路电压为0.86 V,短路电流密度为13.56 mA/cm²,填充因子为59.5%。