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.     

平面型给-受体共轭聚合物的合成及在体异质结聚合物太阳能电池中的应用

设计合成了主链为聚2,8-{5,11-二烷基吲哚[3,2-b]咔唑}-4,7[2,5-噻吩]-二-5,6-二烷氧基-2,1,3-苯并噻二唑, 具有不同侧链的2种平面型给-受体共轭聚合物(QP-2和QP-3), 研究了其热学、光物理和光伏性质. 用聚合物-PC₇₁BM([6,6]-苯基C₇₁丁酸甲酯)共混物作为活性层构筑了本体异质结聚合物太阳能电池. 其中以QP-3为给体、以PC₇₁BM为受体的光伏电池能量转换效率最高达到2.59%, 开路电压为0.72 V, 短路电流为9.24 mA/cm², 填充因子为0.38. XRD结果表明, 平面型共轭聚合物具有较好的结晶性, 原子力显微镜(AFM)显示平面型共轭聚合物易于发生微观相分离.     

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。     

一种低带隙平面分子结构的聚合物合成

合成了一种给-受体型平面分子结构的低带隙共轭聚合物QP-1(聚[2,6-4,8-双十二烷氧基苯并[1,2-b;3,4-b’]二噻吩-4,7-二[2,5-噻吩]-5,6-二烷氧基-2,1,3苯并噻二唑)),研究了其热学、光物理和光伏性质。由电化学测试得到聚合物的带隙为1.79eV,最高分子占有轨道HOMO和最低分子未占轨道LUMO值分别为-5.47 eV和-3.49 eV。与富勒烯的衍生物PCBM有较为理想的能级匹配水平。使用聚合物/PC71BM共混物作为活性层构筑了本体异质结聚合物太阳能电池。光伏电池的能量转换效率为1.01%,开路电压为0.58 V,短路电流为4.25 mA/cm2,填充因子ff值为0.33。X射线粉末衍射(XRD)结果显示平面主链间的距离为0.365nm,具有较好的结晶性。     

基于3,4-二氰基噻吩的宽带隙共轭聚合物的设计合成与光伏应用

利用3,4-二氰基噻吩(DCT)为电子受体单元,苯并双噻吩(BDT)为电子给体单元,并结合不同侧链取代的噻吩为π桥,设计合成了一系列新型宽带隙共轭聚合物:PB3TCN-C32、PB3TCN-C36、PB3TCN-C36-R以及PB3TCN-C40.这些聚合物具有较宽的光学带隙( 1.8 eV)、较深的最高占有分子轨道(HOMO)能级.与非富勒烯受体(IT-4F)结合制备了有机太阳电池器件,其中聚合物PB3TCN-C40实现了高达11.2%的能量转换效率(PCE),其开路电压(V_(oc))为0.92 V,短路电流密度(J_(sc))为18.9 mA cm~(-2),填充因子(FF)为0.64,是目前文献报道基于氰基噻吩类聚合物材料的最好结果.同时,该体系具有低至0.6 eV的能量损失.这些结果表明DCT是一种极具潜力的实现宽带隙、深HOMO能级共轭聚合物的构筑单元,有望实现更高能量转换效率的有机太阳电池.     

含有呋喃衍生物的窄带隙共轭聚合物的合成及光伏性能研究

通过Stille法将呋喃衍生物苯并二呋喃(BDF)引入共轭主链,合成了苯并二呋喃-呋喃-苯并恶二唑共聚物(Polymer 1,简称P1).以紫外吸收光谱分析了聚合物溶液及其膜的基本光谱特征,通过理论计算进行了分子模拟,并用电化学循环伏安法测定了其基本的电化学性质.采用此材料为给体,PC71BM为受体制备了本体异质结型的有机太阳能电池器件,同时研究了不同给/受体重量比的情况下以及1,8-二碘辛烷作为添加剂的情况下的光伏器件性能.结果表明,P1聚合物在可见光区具有较大吸收.由P1所制得的光伏器件,在AM1.5的模拟太阳光照射条件下最高的转化效率为2.96%,表明BDF基团的引入可实现窄带隙的光电聚合物.     

新型噻咯共轭聚合物的合成及其光伏性能

噻咯(silole)是一类含硅的五元环二烯, 具有很好的电子亲和力、独特的聚集态诱导发光性质和优良的电致发光性能. 研究者发现将噻咯结构单元引入分子主链中, 能够获得具有特殊光电性能的聚合物材料. 本工作合成两种2,5位为二噻吩苯并噻二唑的新型噻咯单体, 通过与芴或硅芴双硼酸酯Suzuki偶联聚合, 制备四种主链型D-A(推-拉电子结构)共聚物PF-HSTBT, PF-HOSTBT, PSiF-HSTBT和PSiF-HOSTBT. 研究表明, 四种聚合物具有较好的吸收, 光学带隙均小于1.71 eV. 电化学分析测得四种聚合物的HOMO能级均小于-5.29 eV, 通过光学带隙计算得LUMO能级均高于-3.61 eV. 以四种聚合物分别作为电子给体材料, PC₆₁BM为受体材料, 制备了聚合物太阳能电池器件(PSCs). 由于聚合物PF-HOSTBT、PSiF-HOSTBT中的己氧基空间位阻较大, 分子平面规整性较差, 其最高光电转换效率分别为0.62%、0.83%; 而己基的空间位阻较小, 分子堆积紧密, 聚合物PF-HSTBT, PSiF-HSTBT的光伏性能较优, PSCs的最高光电转换效率分别为1.18%, 1.2%.     

全高分子太阳能电池活性层相分离结构调控

全共轭聚合物太阳能电池具有给受体能级可调、吸收范围宽及可溶液加工等优势,已经成为太阳能电池领域发展趋势.在开发高性能材料及器件结构优化的推动下,能量转换效率已经突破9%.然而,共轭聚合物分子刚性及分子结构各向异性等特点,导致全共轭聚合物共混体系相分离及结晶行为复杂,相区尺寸及界面处分子取向可控性差,难于深入理解并认识活性层结构对器件光物理过程的影响.本文从热力学及动力学角度入手,详述了全共轭聚合物共混体系相分离结构、相区尺寸及界面分子取向的可控调节.共混体系中分子迁移能力及溶液相分离类型是影响相分离结构的本质因素,并通过改变给受体比例及分子规整度等实现了孤岛、双连续及互穿网络结构的构筑.同时,通过添加第3组分调节溶剂-溶质分子间相互作用或聚合物分子间相互作用,在不降低活性层结晶性的基础上实现了相区尺寸的调控.最后,利用附生受限结晶原理及溶液状态,通过改变分子运动能力及在溶液中聚集程度,实现了由edge-on到face-on取向的转变.     

D-π-A型共轭聚合物的合成及其光伏性能

设计合成了3种主链相同、侧基不同的Donor(D)-π-Acceptor(A)型共轭聚合物:聚[(4,8-二辛氧基苯[1,2-b;3,4-b]二噻吩)-(9-(4-氰基苯基)-9H-咔唑)](PBDTCz-CN)、聚[(4,8-二辛氧基苯[1,2-b;3,4-b′]二噻吩)-(9-(4-醛基苯基)-9H-咔唑)](PBDTCz-CHO)和聚[(4,8-二辛氧基苯[1,2-b;3,4-b]二噻吩)-(9-(4-硝基苯基)-9H-咔唑)](PBDTCz-NO_2)。通过调变侧基上的受体基团,比较了氰基、醛基、硝基对聚合物光学和电学性能的影响,讨论了影响聚合物光电转换效率的主要因素。3种聚合物的光学带隙和线性吸收系数依次分别为2.32 eV,152.0 L/(g·cm);2.43 eV,58.5 L/(g·cm)和2.25 eV,85.5 L/(g·cm)。在这些聚合物中,彼此间的最高占据分子轨道(HOMO)能级差距很小,PBDTCz-NO_2的最低未占据分子轨道(LUMO)能级最低(-3.38eV)。在100 W/m~2模拟太阳光的照射下,基于这些聚合物的光伏器件(器件结构:ITO/PEDOT:PSS/Polymer:[70]PCBM(1:2)/Ca/A1)的光电转换效率分别为0.44%(PBDTCz-CN)、0.001 8%(PBDTCz-CHO)和0.23%(PBDTCz-NO_2)。低的光电转换效率主要归因于低的短路电流,而影响短路电流的主要原因有自身吸光性能的限制和弱的π-π堆砌作用。     

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。     

A-D-A型小分子电子给体光伏材料的端基修饰及其光伏性能

有机太阳能电池(OSCs)活性层中的给体材料主要包括共轭聚合物与有机小分子,由于有机小分子给体具有结构确定、易于提纯、重复性高等独特的优势,近年来受到研究工作者的广泛关注。本工作中,我们采取具有良好共平面性的三联苯并二噻吩(TriBDT-T)为推电子(D)中心共轭单元,分别以罗丹宁(RN)、氰基罗丹宁(RCN)和1,3-茚二酮(IDO)为拉电子(A)共轭端基,设计并合成了三种具有A-D-A型结构的小分子给体材料TriBDT-T-RN、TriBDT-T-RCN和TriBDT-T-IDO。我们对比研究了三种端基对其热分解温度、吸收光谱和分子能级等基本性能的影响,并分别将三种小分子给体与非富勒烯型受体材料IT-4F共混制备器件,详细研究了活性层形貌与光伏性能之间的关系。结果表明,不同的A型端基对小分子给体材料的光学性能、电化学性能、光伏器件中活性层的微观形貌以及能量转换效率(PCE)产生显著影响。基于TriBDTT-RN:IT-4F、TriBDT-T-RCN:IT-4F和TriBDT-T-IDO:IT-4F的光伏器件的能量转换效率分别为9.25%、6.31%和6.18%。     

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。     

聚合物太阳电池光伏材料

聚合物太阳电池由共轭聚合物给体和可溶性富勒烯衍生物受体的共混膜夹在ITO透光电极和金属电极之间所组成,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,近年来受到广泛关注。聚合物太阳电池中的给体和受体光伏材料是决定器件性能的关键。本文综述了共轭聚合物给体和富勒烯受体光伏材料的最新研究进展,对共轭聚合物受体材料和给体-受体双缆型共轭聚合物光伏材料的研究进展也进行了简要介绍。在共轭聚合物给体材料中对聚噻吩衍生物以及含有苯并噻二唑的窄带隙D-A共聚物进行了重点介绍。     

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%.     

一类窄带隙芴基共聚物的合成及其在发光二极管和太阳电池中的应用

基于9,9-二辛基芴(DOF)与窄带隙单体2,3-二甲基-5,8-二噻吩-喹喔啉(DDQ),通过Suzuki偶合反应,合成了一系列无规和交替窄带隙的芴基共聚物(PFO-DDQ),并对它们的紫外-可见吸收光谱、光致发光光谱、电致发光性能和光伏性能进行了初步研究.共聚物在380 nm和490 nm处有两处明显的吸收峰,其中490nm处的吸收强度随着共聚物中窄带隙单元(DDQ)含量的增加而成比例加强.随着共聚物中窄带隙单元(DDQ)含量的增加,电致发光峰值从580 nm红移到了635 nm.基于该类材料的橙红或饱和红色发光二极管最大外量子效率为1.33%,流明效率为1.54 Cd/A.试验中观察到了窄带隙单元的能量陷阱机制.以窄带隙单元含量为30%的聚合物(PFO-DDQ30)为电子给体、PCBM为电子受体所制备的共混体相异质结太阳电池最大能量转换效率为1.18%,开路电压0.9 V,短路电流密度2.66 mA/cm2.光敏曲线覆盖300 nm~700 nm.     

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。     

聚合物太阳能电池活性层的形貌调控

聚合物太阳能电池由于制备工艺简单、重量轻、成本低廉、可制备大面积柔性器件等优点,成为新能源和材料科学中的重要研究方向.经过近10年的发展,聚合物太阳能电池的能量转换效率从2005年的5%提高到目前的10%左右,然而聚合物太阳能电池的活性层形貌仍是制约其能量转换效率的一个重要方面.本文围绕聚合物太阳能电池结构与性能的关系,重点介绍了活性层材料的分子设计(共轭主链调制、烷基侧链优化等)和加工方法(热退火、添加剂、三元溶剂、绿色溶剂等)对其微观形貌的影响,并展望了聚合物太阳能电池未来的发展趋势以及面临的关键挑战.     

新型给体-受体型聚合物的合成及其在本体异质结聚合物太阳能电池中的应用

设计、合成了侧链含有强吸电结构的丙二酸二丁酯受体单元与苯并[1,2-b:4,5-b′]二噻吩给体单元交替共聚物PBDTDT,研究了其热学、光学、电化学性质以及与受体PC71BM([6,6]-苯基C71丁酸甲酯)共混作为活性层制备成本体异质结聚合物有机太阳能电池的光伏性质,考察了PBDTDT与PC71BM不同比例时的光伏性能,当聚合物PBDTDT和PC71BM质量比为1∶3制备的器件,其开路电压达到了0.82 V,能量转换效率(PCE)为0.90%,短路电流为3.25 mA/cm2,填充因子FF为0.338,同时将其与同等工艺制备的poly(3-hexylthiophene)(P3HT)太阳能电池的光伏性能进行比较,相同工艺下制备的P3HT电池的开路电压仅为0.55 V,由PBDTDT制备的电池开路电压比P3HT电池的开路电压高出0.29V,同时分析了PBDTDT能量转换效率较P3HT低的原因.     

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。     

基于无规三元共聚物的非卤溶液加工型高效聚合物太阳能电池（英文）

在本工作中,我们以烷硫基噻吩基取代的苯并二噻吩(BDTT-S)为给体单元、5,6-二氟取代苯并三唑(FBTz)和噻唑并噻唑(TTz)为弱吸收电子受体单元,设计合成了一系列宽带隙的无规三元共聚物给体材料。通过改变两个受体单元FBTz和TTz在聚合物中的摩尔比,有效调节了聚合物的光学、电化学、分子排列以及电荷传输性能。最终,使用非卤溶剂为加工溶剂,以三元共聚物PSBTZ-60为给体、ITIC为非富勒烯受体的聚合物太阳能电池(PSCs)获得了10.3%的能量转换效率(PCE),其中开路电压为0.91 V,短路电流为18.0 mA·cm-2,填充因子为62.7%;与之相比,在相同的器件制备条件下,基于PSTZ:ITIC的PSCs仅获得8.5%的PCE,基于PSBZ:ITIC的PSCs也仅获得8.1%的PCE。这些结果表明:三元无规共聚能够作为一种简单且实用的策略去设计、合成高性能聚合物光伏材料。