有机太阳能电池热失效机制及三元共混提升其热稳定性研究进展

有机太阳能电池(Organic solar cells, OSCs)作为一种新兴高效太阳能电池,近年来得到飞速发展.目前OSCs的光电转换效率(Powerconversionefficiency,PCE)已经达到19%以上,初见商业化应用曙光.但其稳定性方面尚未发展成熟,尤其在制备和工作过程中电池器件需要经历高温考验,电池的热稳定性要求高.三元共混策略是在传统的二元OSCs活性层中引入第三组分,利用第三组分调控分子间的相互作用,在实现高效光电转换效率的同时有效提高器件热稳定性,展现出了极大的应用潜力.本综述首先从器件热衰减过程出发,总结了OSCs热衰减过程中包括:热致活性层形貌变化、各层材料之间的互扩散行为以及界面老化等相关机制.在此基础上,重点介绍了三元策略在提高OSCs热稳定性方面的应用进展和作用机制.最后,对三元策略在OSCs中的应用发展进行总结并展望,指出第三组分的针对性选择以及作用机制解析是三元OSCs面临的关键问题和挑战.     

可溶液处理镓萘酞菁酰亚胺类电子受体材料合成与表征

设计、合成了5个酰亚胺镓萘酞菁电子受体(Cl-GaNcTI、OH-GaNcTI、R₃SiO-GaNcTI、F₅PhO-GaNcTI和QLO-GaNcTI),并将其作为受体材料应用于制备体相异质结有机太阳能电池。在波长300～1100 nm范围内,5种受体材料具有较强的近红外吸收,最大消光系数高达6.18×10⁵ L/(mol·cm),较低的最低未占据分子轨道(LUMO)能级(-3.9 eV)和良好的热稳定性(热分解温度Td>320℃),在萘酞菁轴向上引入长链取代基能够有效地减弱分子聚集性,均可用作体相异质结有机太阳能电池的受体材料。     

主链含噻唑单元的新型聚噻吩衍生物的合成与光伏性能

聚噻吩(PT)衍生物由于简单易合成和较好的光电性能,被广泛运用于有机太阳能电池(OSCs)中,但PT较高的能级限制了其在非富勒烯类OSCs的应用。为了降低PT的能级结构,本研究将噻唑单元引入到聚噻吩主链中,设计并合成了新型聚合物给体材料PBTzCl-T。通过紫外-可见吸收光谱、电化学循环伏安法及密度泛函理论(DFT)计算等对聚合物的结构、光学和电学性能进行了表征,并对制备的光伏器件进行了光电性质研究。结果表明：噻唑的引入能够有效降低聚合物的HOMO和LUMO能级,从而提高光伏器件的开路电压。PBTzCl-T在不同溶剂中表现出不同的预聚集行为,进而影响聚合物给受体界面处的电荷转移能力和活性层形貌,导致光伏器件的短路电流和填充因子变化。     

两亲性D-п-A型有机染料在染料敏化太阳能电池中的应用

设计合成了6个带有烷基链的D-п-A型有机光敏染料应用于染料敏化太阳能电池.发现长链烷基有利于电池开路光电压的提高.利用脂肪酸共敏化可进一步提高染料分子的敏化效果,且提高的程度与脂肪酸的链长有重要关系.     

氢卟啉和镁卟啉分子溶剂效应的理论研究

采用溶剂场极化连续模型在密度泛函B3LYP/6-31G (D)水平上研究了氢卟啉和镁卟啉分子在四氢呋喃(THF)、二甲基亚砜(DMSO)、二氯甲烷(CH2Cl2)、氯仿(CHCl3)这四种不同极性的溶剂环境中的几何结构和分子轨道能级, 从而研究了溶剂效应引起的分子几何构型和轨道能级的变化. 然后采用上述溶剂环境下优化的几何结构在含时密度泛函水平上计算了它们的激发能、吸收波长、跃迁组成和振荡强度. 理论计算结果表明, 对比真空条件下的氢卟啉和镁卟啉分子的几何结构, 溶剂场中两种卟啉分子的几何结构都发生了微弱的变化, 这种变化随溶剂介电常数的增大而有所增强. 计算结果表明溶剂环境中氢卟啉和镁卟啉分子的电子吸收光谱发生了普遍的红移, 结合分子轨道理论对这种变化给出了可能的解释. 在此基础上, 对这种包含溶剂效应的理论分析方法用于检验卟啉类化合物作为染料敏化太阳能电池光敏剂的可行性作了进一步的探讨.     

钌配合物基太阳能电池光敏剂分子设计的最新研究进展

基于钌配合物染料的敏化太阳能电池与传统的硅半导体太阳能电池相比,具有较低的成本和较高的光电转换效率(8%～11%)。本文重点从钌配合物染料分子中固定配体的选择、辅助配体中引进具有空穴传输功能的三苯胺(或咔唑)基团以及配合物摩尔消光系数的提高3方面介绍近年钌配合物染料分子设计的研究进展。     

表面活性剂对染料敏化太阳能电池光电性能的提高

在硝酸/醋酸(HNO₃/HAc)的水溶液中分别加入十二烷基苯磺酸钠(DBS)、十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)、吐温20等不同类型的表面活性剂来水解钛酸四正丁酯制得前驱体溶液,通过水热法制备纳晶TiO₂,并组装成染料敏化太阳能电池(DSSC)。通过XRD、SEM和UV-Vis对纳晶TiO₂薄膜进行表征,并对DSSC进行光电流-光电压(I-V)曲线的测试,研究了不同类型的表面活性剂和不同浓度的CTAB对DSSC光电性能的影响。结果表明：加入阳离子表面活性剂CTAB时提高了DSSC的光电性能,而加入阴离子表面活性剂DBS和非离子表面活性剂吐温20时,DSSC的光电性能反而降低。随着CTAB浓度的增加,电池的光电性能先提高后下降,当c_CTAB=0.08 mol·L^-1时,DSSC的光电转化效率最高为5.76%,比不添加表面活性剂制备的纳晶TiO₂所组装的DSSC的光电转化效率提高了约18%。     

大粒径TiO2反射层对染料敏化太阳能电池性能改进

使用大粒径和小粒径两种纳晶TiO2制备双层纳晶薄膜电极,并应用于染料敏化太阳能电池中.用有机碱四甲基氢氧化铵做胶化剂制备的两种大粒径纳晶TiO2(粒径为250 nm和150 nm),用它们分别制备薄膜做为反射层;用小粒径纳晶TiO2(10-20 nm)来制备的纳晶多孔薄膜为底层膜,用于吸收大量的染料.研究表明,反射层的加入,大大提高了对光的反射率,改善了光电输出,提高了光电转换效率.     

9-芴酮类不对称有机小分子给体光伏材料的设计和性能

本文设计合成了2种新型的基于9-芴酮（FN）的D-A-A′构型的有机小分子光伏给体材料TPAFNPI和TPAFNDI.2种结构均采用三苯胺（TPA）作为给电子单元,三键作为π桥,并引入不同的末端吸电子单元邻苯二甲酰亚胺（PI）和靛红（DI）进行端基修饰.这种D-A-A′结构不仅可以有效改善分子内电荷转移效应,同时也弥补了在9-芴酮上引入氰基的缺点,三苯胺（D）的扭转结构还可以避免由于过度聚集而形成较大的相分离分寸.通过调控末端吸电子单元有利于改善电子云分布,从而促进分子内的电荷传输,还有利于获得更低的最高占据轨道与最低空轨道能级.通过紫外-可见吸收光谱和循环伏安法对材料的光电性质进行探究,并将其作为给体材料与富勒烯受体(PC₆₁BM/PC₇₁BM)共混制备成本体异质结器件.结果显示,TPAFNPI和TPAFNDI均具有较窄的带隙,分别为1.75和1.72 eV. 2种材料与PC₇₁BM混合后分别获得了1.05和1.01 V的开路电压,而靛红由于具有更强的吸电子性,从而使TPAFNDI具有更窄的带隙和更强的光吸收特性,其短...     

低温原子层沉积封装技术在OLED上的应用及对有机、钙钛矿太阳能电池封装的启示

有机半导体光电器件在基础研究和工业应用方面进展迅速, 相关方向已经成为一个较为成熟的新兴领域. 然而, 这类器件中的关键有机材料存在对空气中的水、氧十分敏感的问题, 严重影响了器件的长期工作性能. 除了选择合适的传输层材料、界面层结构, 利用界面工程提高器件水氧耐受能力之外, 对器件进行可靠的封装是隔绝空气中水、氧的另一个有效手段. 原子层沉积(atomic layer deposition, ALD)是一种近乎完美的薄膜沉积封装技术, 这种技术所生长的薄膜具有独特的层-层(layer by layer)生长特性, 而且可以在低温下沉积出厚度可控、重复率高、均匀致密的薄膜, 使得该技术在半导体行业已经得到广泛应用. 在此, 我们将回顾ALD封装技术在有机发光二极管(organic light emitting diode, OLED)、有机太阳能电池(organic photovoltaics, OPV)和钙钛矿太阳能电池(perovskite solar cell, PSC)中的应用, 并进一步讨论现阶段应用于OLED的相对比较成熟的ALD封装技术, 及其对OPV和PSC封装的启示性意义.