具有高短路电流特性的D-A共聚物给体材料的理论研究

针对目前本体异质结有机太阳能电池活性层使用的给-受体(D-A)共聚物,研究对D-A给体材料的选取是设计高效有机太阳能电池的关键问题。本文分别选取了10种D单元和A单元,采用第一性原理密度泛函方法,研究了D、A单元及其相应共聚物结构和能隙的变化。结果表明:噻吩环稠合时噻吩环的个数、噻吩环与苯环稠合时苯环的个数都可以有效地调制能隙的大小;同时结构中噻吩环上S原子的位置对带隙也有一定影响。在此基础上,选取噻吩并[3,4-b]噻吩D2、双噻吩锗D6和吡咯并吡咯二酮A4为单体的三种带隙值较小的聚合物,研究了三种高短路电流给体材料P_1(PDTG-PT)、P_2(PNTz4T)、P_3(DPPTT-T)的电子结构特性。通过分析其分子链构象、Bader电荷转移和形成能,表明它们是高短路电流有机太阳能电池D-A型给体材料的理想选择。本研究为设计高短路电流有机太阳能电池D-A型给体材料提供了有价值的指导。     

1,4-二酮吡咯并吡咯在聚合物太阳能电池的应用

1,4-二酮吡咯并吡咯(DPP)由于具有优异的共平面性和强烈的拉电子能力,从而被引入D-A型窄带隙共轭聚合物中调控聚合物材料的能隙和能级结构,拓宽在可见光区域的响应范围。近年来,DPP类聚合物太阳能电池材料的研究受到广泛关注,目前基于DPP的聚合物太阳能电池效率高已达9.64%。本文探讨了以DPP作为受体单元而噻吩衍生物、芴、咔唑和苯并二噻吩等作为给体单元制成的D-A型窄带隙共轭聚合物太阳能电池的研究进展,并探讨了聚合物材料结构与太阳能电池性能之间的内在构效关系。     

基于苯并二噻吩的D-A型窄带隙共轭聚合物在太阳能电池中的应用

近年来为获得有机聚合物太阳能电池更高的能量转换效率,越来越多的活性层材料被设计合成出来,尤其是给体材料。其中,基于给体单元苯并二噻吩(BDT)的D-A型窄带隙共轭聚合物更是多次刷新了有机聚合物太阳能电池效率的最高记录,目前达10.6%。本文探讨了基于苯并二噻吩的D-A型窄带隙共轭聚合物材料结构及其应用在太阳能电池中的性能参数关系,从提高开路电压、短路电流和填充因子三个方面总结出了提高基于BDT共轭聚合物太阳能电池能量转换效率的方法。     

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。     

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.     

氮桥连星型稠环电子受体的合成与光伏性能

采用苯并三(二噻吩并吡咯)为稠环骨架,5,6-二氯-3-(二氰基亚甲基)靛酮为拉电子端基,设计合成了一种氮桥连星型稠环电子受体.利用强给电子苯并三(二噻吩并吡咯)稠环骨架与氯取代拉电子端基结合,增强分子内电荷转移,导致电子受体分子的吸收位于500～800 nm、摩尔消光系数为3.2×10⁵M^-1cm^-1、光学带隙为1.56 eV.将其分别与吸收互补的宽带隙聚合物给体PM6和D18共混作为活性层,制备了有机太阳能电池器件.相比PM6为给体,受体分子与D18的共混膜具有更强的结晶性和合适的纤维状互穿网络相分离结构.通过对比两组器件载流子输运与复合特性,发现采用D18作为给体使电荷传输更平衡、复合减弱、激子解离和电荷收集更有效,其电池器件的能量转换效率为12.0%.     

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。     

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。     

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.     

基于二酮基吡咯并吡咯的π-共轭分子的有机太阳能电池给体材料的设计与理论研究

本文设计了系列基于二酮基吡咯并吡咯(DPP)的有机小分子太阳能电池(OSCs)给体材料.设计的分子结构中，2个DPP分子片段作为2个端基通过不同的芳香杂环π-桥相连接.利用密度泛函理论和含时密度泛函理论方法研究了所设计化合物的电子和光学性质.研究结果表明，在分子中引入不同的π-桥可以有效调节设计分子的前线分子轨道能量、能隙和吸收光谱，但是对几何结构影响很小.所设计化合物1-8均在近红外光谱区具有强吸收和窄能隙，这有利于提高有机太阳能电池的短路电流和光吸收效率.前线分子轨道分析发现，化合物1-8具有较低的最高占据轨道能级，可提高有机太阳能电池的开路电压.化合物1-3,5和7的前线分子轨道能级与典型富勒烯受体材料相匹配，可选用PCBM,bisPCBM和PC₇₁BM作为受体材料；而化合物4,6和8则应考虑选用其他的太阳能电池受体材料.结果表明，所设计的分子可作为性能优良的OSCs给体材料，为开发和利用太阳能电池给体材料提供理论依据.     

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.     

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。     

有机硼小分子受体材料

<正>有机太阳能电池具有柔性、重量轻、溶液加工、成本低的突出优势,适合未来在便携式能源中应用,是当前的国际科学研究热点~(1–4)。有机太阳能电池以有机/高分子给体材料和受体材料的共混物作为光电活性层。受益于稠环芳烃类小分子受体材料的开发,近几年来有机太阳能电池领域迅速发展,其单结器件的效率已经超过了14%,展现了巨大的应用潜力~3。     

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.     

含Ullazine结构基元的共轭聚合物的合成及其光电性能研究

将Ullazine结构基元引入到聚合物主链或侧链中,分别与吡咯并吡咯二酮(DPP)、2,5-双(三甲基锡)噻吩共聚得到了二元共聚物PB和三元共聚物PT,分别利用凝胶渗透色谱和热重分析表征了聚合物的分子量和热稳定性,并研究了聚合物的光物理、电化学和光伏性能.基于共聚物PB和PT作为电子给体材料的聚合物太阳能电池器件测试结果表明,二元共聚物PB由于具有较低的能级水平从而获得较高开路电压,而侧链含Ullazine结构基元的三元共聚物PT具有更宽的吸收光谱和更高的空穴迁移率,获得了更高的短路电流和能量转换效率.     

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。     

基于噻吩并吡嗪类的-(D-A_1)_m-(D-A_2)_n-型三元无规共聚物的合成及光电性能

选用苯并二噻吩(BDT)类衍生物作为给体单元D,并选用噻吩并吡咯二酮(TPD)类衍生物(A1)和噻吩并吡嗪(TP)类衍生物(A2)作为共同的受体单元,通过Stille偶联聚合制备了-(DA_1)_m-(D-A_2)_n-型三元无规共聚物,并同时合成了基于BDT和TP的二元共聚物。采用核磁共振氢谱(1 H-NMR)、凝胶液相色谱(GPC)和热重(TG)表征聚合物的结构与性能;采用紫外-可见光谱和循环伏安法测试聚合物的光电性能,研究了以这类聚合物为给体材料制备的太阳能器件的光伏性能。结果表明:三元无规共聚物具有较高的相对分子量和热稳定性,在太阳光范围具有强而宽的吸收,同时具有相对较低的最高电子占用轨道HOMO和最低电子占用轨道LUMO能级。基于三元无规共聚物P2的器件,其光电转换效率可达到1.22%,优于相应的二元共聚物P1的1.15%。     

基于1,2,4-三氮唑衍生物的共轭聚合物的合成及其光伏性能

以缺电子的1,2,4-三氮唑衍生物作为拉电子结构单元(A), 以富电子的噻吩或苯并二噻吩衍生物作为推电子结构单元(D), 通过Stille偶联聚合的方法, 合成了三种主链型D-A(推-拉电子结构)的交替共聚物PT-TZ, PB-TZ和PB-TTZT. 不同富电子结构单元可使其聚合物表现出不同的光物理性能和光伏性能. 嵌入较多的噻吩单元, 可有效增大聚合物主链的共轭长度, 拓宽其吸收光谱, 因此, 聚合物PB-TTZT的光伏性能明显优于另外两种聚合物. 以三种聚合物分别作为给体材料, 以PC₆₁BM作为受体材料, 制备了聚合物太阳能电池(PSCs), 其中, 基于PB-TTZT的PSCs器件在AM 1.5 G模拟太阳光条件下的光电转换效率为1.18%.     

苯并[1,2-b:4,5-b']二噻吩和二噻吩邻苯二甲酰亚胺的平面型交替共聚物的合成及其光伏性能

通过Stille聚合反应合成了含有苯并[1,2-b:4,5-b']二噻吩和二噻吩邻苯二甲酰亚胺的D-A结构平面共聚物PBDTPhBT.该聚合物热稳定性和在常见有机溶剂中的溶解性良好、在380～580nm范围内有强吸收.分子模拟计算的结果表明,聚合物主链具有较好的平面型.PBDTPhBT的光学带隙为2.10eV、用电化学方法测量的HOMO能级为5.23eV.以聚合物PBDTPhBT为给体、PC70BM为受体(给受体重量比为1:1)、Ca/Al为负极制备了本体异质结聚合物太阳能电池.在AM1.5,100mWcm2光照条件下器件的开路电压和短路电流分别为0.79V和5.63mAcm2,能量转换效率达到了1.76%.