基于双氰基茚满二酮吸电子单元的非对称小分子给体的合成及其光伏性能

采用双氰基茚满二酮为吸电子单元，分别以苯并二噻吩并吡咯和4,4’-二甲基三苯胺为给电子单元，设计合成了两种具有给电子-吸电子(D-A)型结构的非对称小分子给体材料D1和D2;通过紫外-可见吸收光谱和循环伏安法研究了这两个小分子给体的光学性能及电化学性质，并考察了由这两个小分子和C₇₀制备的全小分子有机太阳能电池的光伏性能.研究结果表明：含有稠环给电子单元的小分子给体D1比含有三苯胺给电子单元的D2具有更宽的光学吸收、更低的最高占据分子轨道能级和更好的光伏性能；以D1和D2为给体、C₇₀为受体的可真空蒸镀有机太阳能电池的最高光电转换效率分别为5.03%和3.78%.     

石墨烯在光电器件中的应用

 讨论了近年来石墨烯在太阳能电池、有机发光二极管以及场致发射器件方面的应用研究。石墨烯是碳的同素异形体的一种,是二维的薄膜材料,具有独特的导电特性及机械弯曲性能,可以作为太阳能电池、有机发光器件的柔性电极;石墨烯与有机聚合物材料复合可以形成大的给体受体界面,有利于太阳能电池中激子的扩散速率、载流子迁移率的提高,可以作为有机太阳能电池的电子受体材料;石墨烯具有一维尖锐的刀口状边缘,具有大的电场增强系数,同时由于石墨烯自身的良好导电能力,可以作为场致发射器件中的电子传导与电场发射材料。石墨烯在光电器件中应用的深入研究有望突破目前光电技术的发展瓶颈,是一个极具前景的新研究领域。     

短程有机电子给体-受体体系的合成

设计合成了一类以蒽为电子给体,带不同吸电子取代基的苯为电子受体的新型短程有机电子给体-受体体系。光谱实验研究发现,该短程给体-受体体系内存在非常强的荧光淬灭现象。实验结果分析表明强荧光淬灭的本质在于体系分子内快速的电子转移,同时表明缩短电子给体-受体之间的距离将加快电子转移过程。     

苯并噻二唑为中心的A-π-A-π-A型小分子光伏材料合成与性能研究

以苯并噻二唑为中心给体,利用Suzuki偶联和Knoevengel缩合等经典有机反应将吸电子基团氟原子和氰基引入到分子末端,完成了两个未见报道的以苯并噻二唑为中心的A-π-A-π-A型小分子化合物2F-TT-BT和2CN-TT-BT的合成,其化学结构通过核磁和高分辨质谱予以证实.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计算对其光物理和电化学性质进行了实验及理论的研究.研究表明,合成的小分子材料对太阳光的吸收可覆盖整个紫外-可见吸收范围,具有与PC61BM相匹配的HOMO和LUMO能级,满足了溶液过程有机太阳能电池制备的基本要求.初步探索了材料的光伏性能,以小分子2F-TT-BT为给体,制作了结构为ITO/PEDOT:PSS/2F-TT-BT:PC61BM(质量比1∶2)/Al的体异质结(BHJ)太阳能电池,能量转换效率为0.53%,实验结果表明此类小分子是潜在的有机太阳能电池材料.     

异质结型有机太阳能电池材料的最新研究进展

作为一种低耗、高效的有机光伏器件,异质结型有机太阳能电池具有成本低、重量轻、柔韧性好等优点,已引起国内外的广泛关注.设计并合成性能优良、结构新颖的有机/聚合物电子给体和电子受体材料、提高光电转换率是太阳能电池研发的关键问题之一.本文简要介绍了异质结型有机太阳能电池的特点和工作原理,从聚对苯撑乙烯衍生物、苯并噻吩类以及苯并噻二唑类聚合物三个方面系统地综述了有机太阳能电池给体材料的研究进展.同时,依据有机太阳能电池受体材料的发展历程,较全面阐述了富勒烯衍生物、9,9-联亚芴基衍生物和苝二酰亚胺衍生物三类受体材料的结构特点及其在有机光伏器件中的应用与发展.最后,对异质结型有机太阳能电池发展趋势和应用前景做了展望.     

有机太阳能电池受体材料载流子动力学的研究进展

近年来，非富勒烯有机小分子受体的出现推动了有机太阳能电池领域的蓬勃发展.然而，非富勒烯有机小分子受体的光物理机制以及基于它们的有机太阳能电池的光电转换机制仍不清楚，严重制约了高性能有机太阳能电池的高效开发.本文简要介绍了本课题组近年来在有机太阳能电池受体材料载流子动力学方面的研究进展.尝试通过研究端基工程、侧链工程和骨架工程对小分子受体载流子动力学的影响，建立结构-动力学-器件性能关系，推动有机太阳能电池的进一步发展.     

三氢-苯并吲哚啉方酸染料晶体中电荷转移过程的理论研究

由于具有良好的光化学稳定性、在可见光区和近红外区的强吸光性等优点，方酸类染料是目前最具潜力的小分子有机太阳能电池给体材料之一.然而，其空穴迁移机制并不明确，较低的迁移率限制了器件光电转换效率的提升.结合第一性原理计算、Marcus电子转移理论、主方程模拟，系统研究了三氢-苯并吲哚啉方酸(USQ-BI)染料的电子结构、分子堆积模式以及电荷转移性质.结果表明，由于空穴迁移路径上交替出现两种不同的分子堆积模式，驱动力呈现正负交错的特征，克服正驱动力的过程为空穴迁移的决速步.据此，提出了降低驱动力绝对值以增大迁移率的理论策略.进一步研究发现，在一些位点上引入氰基可以显著提高空穴转移耦合强度，从而提高空穴迁移率.最后，对USQ-BI中电子转移过程的研究发现，由于较大的重组能导致较小的电子转移速率，该晶体不能作为好的电子传输材料.     

链间耦合对聚合物分子中激子形成的影响

从紧束缚模型出发,研究了聚合物分子中链间耦合对激子形成的影响.结果表明:光激发后耦合分子体系中形成的激子态有两种可能的分布:一种是激子在强耦合下仍主要局域在一条链中（称为链间定域激子）;另一种是激子在链间平均扩展（称为链间扩展激子）.通过计算链间耦合强度对这2种激子态的产生能和束缚能的影响,发现耦合体系中激发的电子－空穴更容易复合形成链间定域激子.另外,通过分析链间耦合强度对激子束缚能的影响,表明聚合物分子之间的耦合不利于激子形成,因此固态薄膜的光致发光效率要低于其溶液状态.     

基于复合电子传输层聚合物太阳能电池性能研究

为解决电子和空穴传输不平衡以及载流子复合对有机太阳能电池转换效率的限制问题, 提出采用聚芴材 料 PFO(poly(9,9-dioctylfluorenyl-2,7-diyl))对有机太阳能电池电子传输层 TiO 2 进行界面修饰以提高电荷传输, 进而提高太阳能电池能量转换效率。 通过表面形貌分析和功函数测量表明, PFO 界面层的引入不仅填补了 TiO 2 界面缺陷, 同时 PFO 可作为有效的电荷传输中心, 通过提高器件电子转移能力, 进而提高有机太阳能电 池器件短路电流和填充因子, 使有机电池能量转换效率从 5. 17%提升到 6. 96%。     

一个飞速发展的领域:非富勒烯有机太阳能电池受体材料

有机太阳能电池作为解决能源问题的重要手段之一,2006年以来得到了深入的研究.其电子受体材料较多地局限在富勒烯及其衍生物领域,由于其光谱吸收窄、溶解性差、成本高、生产过程中环境不友好等问题,迫使科学家们寻找新的受体材料.近年来,非富勒烯电子受体材料吸引了科学家们的关注.非富勒烯受体材料的光谱吸收宽,溶解性好,结构可控,易加工等特点决定了其在有机太阳能电池领域有广泛的应用.综述了2011年以来非富勒烯有机太阳能电池受体材料领域的进展,并对其将来的发展进行了展望.     

P3HT∶Ag@C复合膜的制备及其光学性能

采用一步水热法制备了用于聚合物太阳能电池受体材料的核壳结构碳银复合材料(Ag@C),并以聚3-己基噻吩(P3HT)为给体材料,旋涂制备P3HT∶Ag@C复合膜。通过场发射扫描电子显微镜、热重分析仪、透射电子显微镜及电化学工作站,对Ag@C的形貌、热稳定性和能级结构进行表征分析,并用荧光分析仪和紫外分光光度计对复合膜的光学性能进行表征分析。结果表明,Ag@C具有良好的热稳定性且与P3HT能级相匹配,满足作为聚合物太阳能电池受体材料要求;与纯P3HT薄膜相比,复合膜发生荧光猝灭现象,光生激子在复合膜界面处可得到有效分离;光谱吸收范围变宽,增强了对太阳光的吸收。     

全激基复合物发光实现结构简单、光谱稳定白色有机电致发光器件

利用电子传输型受体分子PO-T2T分别与空穴传输型给体分子mCP、TAPC实现蓝光混合型激基复合物及红光界面型激基复合物的构建,并通过调节给体TAPC薄层位置制备了无需发光染料、结构简单、光谱稳定的高效白色有机电致发光器件.器件的发光亮度超过14 000 cd/m~2,最大电流效率、外量子效率分别为17.7 cd/A、6.3%.当电压由5 V增加到10 V时,器件的电致发光光谱稳定,CIE仅从(0.368,0.458)变为(0.368,0.449).这些结果表明,应用全激基复合物发光、无发光染料的结构,对实现发射光谱稳定、简化器件结构和提高WOLEDs效率都具有显著作用.     

N-(2-羟基苯亚甲基)苯胺衍生物分子内质子 转移取代基效应的密度泛函理论研究

在B3LYP/6-31+G(d,p)水平上研究了N-(2-羟基苯亚甲基)苯胺衍生物分子内质子转移的取代基效应.结果表明:吸电子基引入后会让分子更加趋于平面构型,而供电子基取代后让分子发生了一定程度的扭转;吸电子取代基引入后减小了分子平面的电子密度,拉近了N_1-H_2距离,增强了分子内氢键的强度,降低了醇式到酮式的结构互变能垒.供电子取代基引入后增加了分子平面的电子密度,加大了N_1-H_2间距,减弱了分子内氢键的强度,使得质子转移能垒升高.对分子的前沿轨道研究表明醇式较酮式结构来说更易形成激发态,并且能隙随着吸电子能力和供电子能力增强变小,说明其生物活性变强.     

器件结构对聚合物太阳能电池内部光电强分布的影响

针对以电子给体聚(3-己基噻吩)(P3HT)和电子受体6,6-苯基-C61-丁酸甲酯(PCBM)共混薄膜为活性层的本体异质结聚合物太阳能电池,根据光学干涉效应和转移矩阵方法建立了非相干光吸收理论模型,研究了电极修饰层、活性层和阴极的厚度对电池内部光电场分布和活性层内部光电场强度的影响.结果表明:各功能层厚度对电池内部光电场分布和活性层光电场强度具有不同程度的影响,其中活性层和电极修饰层厚度的影响较大,而阴极厚度的影响较小;引入合适厚度的电极修饰层有利于增加活性层内部的光电场强度,提高太阳能电池的能量转换效率,改善器件的光伏性能.     

有机发光二极管中原子掺杂调控的单重态激子产率

原子掺杂是目前提高有机发光二极管发光效率的有效方法之一.杂质原子的存在，一方面改变了体系的自旋-轨道耦合强度，另一方面引入了杂质势.从这两方面出发，基于扩展的Su-Schrieffer-Heeger模型，研究了有机聚合物中掺杂原子的存在对单重态激子产率的影响.结果发现，通过掺杂原子可以有效地提高单重态激子产率.主要原因源于掺杂原子所诱导的较大自旋-轨道耦合强度，而非杂质势的引入.澄清了利用原子掺杂提高有机发光二极管发光效率的机理，并为相关实验的材料选取和设计提供了理论指导.     

热活化延迟荧光分子取代基位置对发光性质影响的理论研究

热活化延迟荧光(TADF)材料具有较高的激子利用率，在有机发光二极管(OLED)研究中备受关注.与蓝色和绿色TADF分子相比，红色TADF分子发光能隙窄，其激发态很容易以不发光的非辐射方式失活回到基态，因此，实验上很难获得发光效率较高的红色TADF材料.本文应用密度泛函理论(DFT)和含时密度泛函理论(TD-DFT)方法，研究了互为异构体的T-DA-2和C-DA-2分子的电子吸收光谱、延迟荧光性质及光物理过程机制.结果表明，T-DA-2和C-DA-2分子的电子吸收谱主要来自基态到较高能级激发态的电子跃迁，并且其荧光发射遵循反-Kasha规则.和C-DA-2分子相比，异构体T-DA-2分子因其更小的内转换速率和更有效的反系间窜越过程而具有更好的荧光和延时荧光特性，表现出显著的取代基位置效应.     

给体-受体共轭型希夫碱的分子第一超极化率的理论研究

采用HF／6-31G（d）／／TDHF／6-31G（d）方法研究了给体-受体共轭型希夫碱的几何结构和分子的第一超极化率,并与可利用的实验结果进行了比较．研究表明,这类希夫碱具有非平面的结构．另一方面,吸电子基和供电子基的种类,分子的共轭程度,基态与激发态之间的分子内电荷转移及HOMO-LUMO能隙对希夫碱分子的第一超极化率有明显的影响．     

有序体系与无序体系中单重态激子的裂变过程及其磁场效应

利用单重态激子的裂变机制,被认为是提高有机光伏器件量子效率的一种可行途径.然而,在非晶态薄膜中有机分子的取向是杂乱的,能否在排列杂乱的分子之间发生有效的激子裂变过程,是制约这一方法的重要问题.本实验中,在室温下测量了红荧烯掺杂有机薄膜光致发光的磁场效应与光致发光的瞬态衰减,由此计算出了薄膜中红荧烯分子间激子裂变速率的磁场效应.基于Merrifield的唯象理论,研究了薄膜中分子排列有序与排列无序两种情况下激子裂变速率磁场效应的差异.将实验数据与理论曲线相对比,显示出掺杂薄膜中的激子裂变过程主要发生在排列无序的红荧烯分子间.这从实验上证明了在非晶态有机固体中可以发生有效的激子裂变过程.而激子裂变过程的速率主要与材料中的载流子迁移率有关.     

钙钛矿太阳能电池中电子传输层研究进展

近年来钙钛矿太阳能电池发展迅速,电子传输层在传输电子和阻挡空穴等方面起着重要作用,是钙钛矿太阳能电池效率提高的保障.文章从电子传输层的工作机理出发,介绍了目前常见的金属氧化物和有机分子材料作为电子传输材料的相关研究进展,综述了针对电子传输层的离子掺杂、界面修饰、纳米结构调整等方面的研究工作,对电子传输层今后的研究趋势进行展望.     

基于噻唑并噻唑结构的共轭聚合物太阳能电池材料的合成与表征

为了得到一种新型高效的聚合物太阳能电池材料,通过Stille聚合反应合成了一种以噻唑并噻唑为电子受体单元和硅基联噻吩为电子给体单元的交替共轭聚合物(PTTz-Si)。这种聚合物具有较窄的光学带隙(1.77eV)、较高的热稳定性以及比较宽泛的紫外可见吸收光谱,其良好的溶解性保证了可以通过溶液加工制备成有机太阳能电池器件,是一种潜在的聚合物太阳能电池活性层供体材料。通过核磁共振氢谱、碳谱、热重分析、紫外可见吸收光谱、凝胶渗透色谱和电化学等测试方法对该聚合物进行了表征,并且将聚合物与PC71CM共混制备聚合物太阳能电池器件,获取0.76%的光电转化效率。