基于聚合物给体与非富勒烯有机小分子受体材料的有机太阳能电池研究进展

在本体异质结有机太阳能电池的研究中,富勒烯及其衍生物是一类重要的n-型电子受体材料,然而基于富勒烯的材料有一些难以克服的弱点,例如在可见光范围内较弱且窄的吸收、很难调节的带隙、溶解性较差等,这些都严重限制了富勒烯类材料在有机太阳能电池中作为n-型受体材料更广泛的应用。而非富勒烯n-型电子受体材料比富勒烯类材料拥有在可见光光谱中更加宽广的吸收范围、能级更易调节、合成简便、加工成本更低、溶解性能更加优异等重要特点,目前基于非富勒烯类材料的本体异质结有机太阳能电池的能量转换效率超过了4%。本文综述了几类非富勒烯类有机小分子受体材料的研究进展,讨论了提高基于非富勒烯类有机小分子材料的有机太阳能电池器件性能的关键因素,并对其发展前景作了展望。     

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...     

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.     

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.     

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.     

带有噻吩侧基的有机硼小分子电子受体光伏材料

有机小分子电子受体材料的侧基能够影响异质结有机太阳能电池的给体/受体匹配和器件性能。我们设计并合成了一个硼原子带有噻吩侧基的有机硼小分子(MBN-Th)。该分子的LUMO离域在整个骨架上,HOMO定域在中心核上,其独特的电子结构使该分子具有两个强的吸收峰(波长分别为490和726nm),因此分子具有宽的吸收光谱和强的太阳光吸收能力。与苯基侧基相比,噻吩侧基使分子的HOMO能级下移0.1 eV,LUMO能级保持不变,进而引起分子带隙减小和吸收光谱蓝移20nm。基于该有机硼小分子受体材料的异质结有机太阳能电池,实现了4.21%的能量转化效率和300–850nm的宽响应光谱。实验结果表明,硼原子上的噻吩侧基是调控有机硼小分子光电性质的有效方法,可以用于有机硼小分子受体材料的设计。     

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。     

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。     

有机光伏材料与器件研究的新进展

近几年有机光伏电池应用研究发展迅猛。本文综述了有机光伏薄膜电池在材料(包括有机小分子材料与聚合物材料)、器件构造方面的最新进展，分析了有机聚合物光伏电池目前效率低的主要原因，并探讨了该领域进一步研究的方向和前景。     

非富勒烯类有机小分子受体材料

富勒烯及其衍生物因具有多维电荷传输特性和与给体材料形成独特的相分离结构等特点,在有机光伏领域占据主导地位。然而,富勒烯类受体材料本身也有一些难以克服的缺点,如可见光范围内吸收能力弱、修饰困难、成本高等,进而限制了器件性能的提高和规模化使用。非富勒烯类小分子受体材料的研究引起越来越多的重视。研究者可借助丰富的化学手段,设计合成出具有特定聚集态形貌和优异性能的有机小分子及其寡聚物。本文总结了近几年关于苝四甲酰二亚胺类、吡咯并吡咯二酮类、苯并噻二唑类等几类性能相对优异的非富勒烯类有机小分子受体材料的最新研究进展,从分子结构上对其性能进行了剖析,对高性能受体材料的设计合成具有一定的指导意义。最后,讨论了提高非富勒烯类有机小分子受体材料器件性能的主要因素及其研究前景。     

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.     

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。     

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。     

Azaacene Dimers: Acceptor Materials with a Twist

The synthesis of five spiro-linked azaacene dimers is reported and their properties are compared to that of their monomers. Dimerization quenches emission of the longer (≥(hetero)tetracenes) derivatives and furnishes amorphous thin-films, the absorption is not affected. The larger derivatives were tested as acceptors in bulk-heterojunction photovoltaic devices with a maximum power conversion efficiency of up to 1.6 %.     

叠层结构的有机太阳能电池研究进展

有机太阳能电池在近年来发展十分迅速.其中,叠层器件结构的出现,有利于拓展太阳光响应范围,减少过热激子引起的能量损耗,为改善器件性能提供了可能.有机光伏领域内,叠层器件光伏效率的提升源自于所使用材料结构的改善以及器件制备工艺的发展.因此,本综述着眼于叠层器件中使用的材料、中间层结构、器件构型构筑、性能表征及应用领域等方面,系统总结了近年来领域内的代表性成果,并针对未来高性能叠层器件对材料和结构的要求做出了展望.     

Efficient Non-Fullerene Organic Solar Cells Based on a Wide-Bandgap Polymer Donor Containing an Alkylthiophenyl-Substituted Benzodithiophene Moiety

Two wide-bandgap polymer donors containing an alkylthiophenyl substituted benzo[1,2-b : 4,5-b′]dithiophene moiety, namely PTZPO and PTZPS, were designed and synthesized. Both polymers exhibit relatively wide optical bandgap of 1.95 V with similar absorption profiles. The polymer PTZPS with alkylthiophenyl substituted benzo[1,2-b : 4,5-b′]dithiophene units showed enhanced light-harvesting capabilities, leading to improved short-circuit current densities. The PTZPS : ITIC film shows more appreciable film morphology and phase separation than the film composed of a blend of ITIC with alkoxyl substitutions containing copolymer PTZPO, which facilitates exciton dissociation and charge transport. The PTZPS : ITIC-based non-fullerene organic solar cells show clearly improved short-circuit current density and an impressively high power conversion efficiency of more than 11 %. These observations demonstrate the great promise of using PTZPS as electron-donating materials for high-performance non-fullerene organic solar cells.     

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.     

有机太阳能电池给受体材料界面的微纳结构调控

有机太阳能电池因具有成本低、质轻、柔韧性好、可大面积印刷制备等优势,引起了人们极大的关注并成为现阶段有机电子学研究的重要热点之一。有机功能层中电子给体和受体界面特性对电池的功率转换效率影响很大,通过给受体界面的微纳结构化,可扩大给受体的接触面积、缩短给体和受体的距离、增强光吸收,能产生更多激子并促进激子有效分离,从而有效提高器件的电池效率。本文综述了纳米压印、自组装、溶剂挥发以及模板法等调控微纳结构的技术和方法,总结了基于微纳结构构建有机光伏器件的发展现状,并对目前微纳结构化方法和光伏应用中存在问题和研究重点做了简要评述,最后展望了该研究领域下一步的发展方向和应用前景。