高分子／富勒烯光伏电池的研究进展

高分子／富勒烯光伏电池是近些年来研究比较广泛的一类新型聚合物光伏器件。本文详细分析了高分子／富勒烯光伏电池的分类及工作原理，并介绍了以共轭高分子作为电子给体材料，富勒烯及其衍生物作为电子受体材料的高分子／富勒烯光伏电池的研究进展。     

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.     

基于苯并三噻吩共聚物/富勒烯衍生物的聚合物太阳能电池

以苯并三噻吩共聚物(BTT-BTz)为给体材料,具有不同能级结构的富勒烯衍生物为受体材料,通过共混方式制备光敏薄膜,并研究受体材料的能级结构对光伏器件开路电压(Voc)、短路电流(Jsc)、填充因子(FF)和电池效率(PCE)的影响.结果表明:当IC60BA为电子受体材料时,器件的Voc=1.06V,但Jsc较低,使得PCE仅为1.49%;当PC60BM和PC70BM为受体材料时,Voc分别为0.86V和0.81V,但Jsc较高,使得PCE分别为3.22%和5.06%.     

给体-受体型聚合物光伏电池材料的设计合成及器件

给体-受体型聚合物是目前研究最广且性能最优的太阳能电池材料。本文以笔者课题组的研究成果为基础,结合国内外最新研究结果,综述了给体-受体型聚合物光伏电池材料及其电池器件加工工艺与技术的最新研究进展。本文介绍的聚合物材料主要包括卟啉类、萘并二噻吩类、苯并噻(噁)二唑类、二茚并二噻吩类等,电池器件加工技术方面则包括溶剂添加剂和界面修饰层的应用及其对光伏电池性能的影响等。     

基于芴-苯并噻二唑的小分子光伏材料合成与性能

成功设计并合成了以三键为桥键,苯并噻二唑为受体(A)单元,二己基芴为给体(D)单元的D-π-A-π-D型小分子光伏材料FLEBT,利用核磁、高分辨质谱对该化合物进行了结构表征.FLEBT的光学性能和电化学性能分别通过紫外-可见光谱及循环伏安法进行测定.结果显示,FLEBT在有机溶剂中具有较好的溶解性和成膜性,具有较强的分子内电荷迁移(ICT)特征、较宽的紫外-可见吸收范围,并具有与受体材料PC61BM相匹配的电子能级.因此利用FLEBT为给体材料,PC61BM为受体材料,通过溶液过程加工法制作了体异质结(BHJ)太阳能电池,初步探索了材料的光伏性能.在模拟太阳光AM 1.5G(100mW·cm-2)下,器件开路电压(Voc)为0.72V,短路电流(Jsc)为0.93mA·cm-2,光电转换效率(PCE)为0.18%.研究结果表明,这类小分子是一种潜在的有机小分子光伏材料.     

聚合物/富勒烯太阳能电池形貌优化研究

选用苯并二噻吩和噻吩并吡咯(PBDTTPD)作为给体材料,和经典的受体材料富勒烯衍生物PC61BM/PC71BM搭配制作如下器件结构:氧化铟锡导电玻璃ITO(160nm)/阳极修饰层PEDOT:PSS(40nm)/活性层PBDTTPD:PCBM(90nm)/阴极修饰层LiF(0.5nm)/金属阴极Al(120nm).采用溶剂退火和添加剂后处理方法,利用有机溶剂慢蒸发过程以及溶剂和添加剂不同的沸点,使得给体和受体材料完成自组装,形成有序的给受体互联贯穿网状结构.结果表明,溶剂退火可以极大地优化PBDTTPD:PCBM活性层的形貌,最高能量转换效率(Power Conversion Effciency,PCE)达到4.95%.该实验成果可以为进一步提高聚合物/富勒烯有机太阳能电池的效率,提供有力的理论依据和实验指导.     

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.     

光交联型窄带隙共聚物的合成及其对本体异质结聚合物太阳电池稳定性的影响

本体异质结聚合物太阳电池的活性层通常是由聚合物给体和富勒烯受体通过机械混合而成,活性层的聚合物和富勒烯分子从热力学角度倾向于各自聚集,由此形成的纳米微相分离结构是热不稳定的,造成电池稳定性较差。为了提高活性层薄膜形貌稳定性,本文设计并合成出新型的溴基团取代的光交联型窄带隙聚合物PBDTTT-Br25和PBDTTT-Br50。经光引发交联后的聚合物薄膜表现出良好的抗溶剂性和形貌稳定性,且不影响聚合物分子排列及载流子传输性能。通过研究热退火对共混膜形貌的影响,发现使用光交联材料可以有效抑制富勒烯分子聚集,并提高聚合物太阳电池的热稳定性。基于PBDTTT-Br25和PBDTTT-Br50的器件光电转换效率分别为5.17%和4.48%,相比于基于聚合物PBDTTT的器件效率(4.26%),性能得到明显的提高。     

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.     

基于非富勒烯受体IEICO-4F的倍增型有机光电探测器

以非富勒烯材料O-IDTBR和IEICO-4F为电子受体,采用溶液法制备结构为ITO/PEDOT∶PSS/P3HT∶O-IDTBR/Al和ITO/PEDOT∶PSS/P3HT∶IEICO-4F/Al的2种倍增型有机光电探测器. IEICO-4F器件在波长400 nm和790 nm处的最高外量子效率(EQE)分别达7 220% 和1 610%. 在-15 V偏压下,IEICO-4F器件EQE大于100%的光谱响应范围(300~840 nm)比O-IDTBR器件(320~740 nm)宽120 nm. 与-15 V偏压下的O-IDTBR器件相比,IEICO-4F器件在波长400、510、600、790 nm处的EQE(2 630%、1 220%、1 900%、409%)分别提升1.7、1.2、0.5、24.5倍以上. 此外,IEICO-4F器件在400、510、600、790 nm处的探测灵敏度(4.8×1012、2.8×1012、5.2×1012、1.5×1012 cm·Hz1/2·W-1)分别是O-IDTBR器件的3.2、2.5、1.8、30.6倍. 结果表明:采用吸收与P3HT更互补(带隙更窄)的非富勒烯材料IEICO-4F为电子受体,有利于提升倍增型有机光电探测器的性能(特别是器件对近红外光的响应与探测能力),并拓宽器件的光谱响应范围.     

D-π-D型咔唑类空穴传输材料的设计及其在钙钛矿太阳能电池中的应用

在钙钛矿太阳能电池中,空穴传输材料是影响电荷分离的重要元件,对电池器件的性能有较大影响.设计合成了一系列以三苯胺为核、咔唑为外围给体基团的新型空穴传输材料CS-49,CS-50和CS-51,并将其应用于钙钛矿太阳能电池中.研究了分子结构中共轭桥链和给体平面性的改善对其光物理、电化学等性质以及光伏性能的影响.研究发现,随着分子共轭桥链和给体基团平面性的改善,其空穴提取和迁移能力都得到了增强,同时还能优化其成膜能力,最终提升了电池器件的光伏性能.这项工作为开发高效的空穴传输材料提供了重要策略.     

未来的能源之星:PTB 与 PCBM

本期十大化学热点论文的关注点继续聚焦碳烯形式的碳化学研究.而论文#5作为新生力量则以聚合物半导体的形式展开对碳化学的研究.这其实涉及到用于太阳能电池有机光伏材料的必要化学知识.光伏材料需要电子供体聚合物与电子受体富勒烯化合物.聚3-己基噻吩适于作电子供体聚合物,与C61富勒烯化合物衍生物搭配可将能量转化效率提高到5％.     

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%.     

N-苯基富勒烯吡咯烷的合成及其光伏性能

采用Prato反应合成了一系列N-苯基取代的富勒烯吡咯烷衍生物并将其作为电子受体材料应用于聚合物太阳能电池.实验结果表明,N-苯基-2-(3-甲氧基苯基)[60]富勒烯吡咯烷(FP2)和N-苯基-2-(4-甲氧基苯基)[60]富勒烯吡咯烷(FP3)可以通过一锅法合成,其合成过程简单,成本较低且产率较高.以聚(3-己基噻吩)(P3HT)为给体,FP2和FP3为受体的聚合物太阳能电池的能量转换效率分别为3.27%和3.30%.该效率接近在相同实验条件下的P3HT∶[6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯(PC_(61)BM)器件以及文献报道的P3HT∶PC61BM器件的效率.     

C_(70)苄基衍生物的合成及其在钙钛矿太阳能电池中的应用

富勒烯及其衍生物具有高电子传输效率,是倒置平面异质结钙钛矿太阳能电池器件中优异的电子传输材料(ETMs).其中,富勒烯C_(70)通常存在众多的异构体产物,通过常规手段难以实现有效分离,因此关于结构明确的富勒烯衍生物对钙钛矿太阳能电池的影响,目前尚缺乏系统的研究和理解.该文成功合成并分离了一种结构明确的C_(70)衍生物2,5-(PhCH_2)_2C_(70),并将其作为ETMs构建倒置平面异质结钙钛矿太阳能电池器件,最终实现了12.77%的光电转换效率,通过对富勒烯衍生物中分子晶体结构堆积的研究,分析了富勒烯衍生物结构对钙钛矿太阳能电池器件性能的影响.     

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.     

光交联型窄带隙共聚物的合成及其对本体异质结聚合物太阳电池稳定性的影响简

本体异质结聚合物太阳电池的活性层通常是由聚合物给体和富勒烯受体通过机械混合而成,活性层的聚合物和富勒烯分子从热力学角度倾向于各自聚集,由此形成的纳米微相分离结构是热不稳定的,造成电池稳定性较差。为了提高活性层薄膜形貌稳定性,本文设计并合成出新型的溴基团取代的光交联型窄带隙聚合物PBDTTT-Br25和PBDTTT-Br50。经光引发交联后的聚合物薄膜表现出良好的抗溶剂性和形貌稳定性,且不影响聚合物分子排列及载流子传输性能。通过研究热退火对共混膜形貌的影响,发现使用光交联材料可以有效抑制富勒烯分子聚集,并提高聚合物太阳电池的热稳定性。基于PBDTTT-Br25和PBDTTT-Br50的器件光电转换效率分别为5．17％和4．48％,相比于基于聚合物PBDTTT的器件效率（4．26％）,性能得到明显的提高。     

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。     

绕丹宁修饰富勒烯作为新型聚合物太阳能电池受体光伏材料增强光吸收(英文)

首次将染料分子3-乙基绕丹宁连接到[6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯(PCBM)上,合成了具有增强光吸收性能的新型富勒烯受体光伏材料PCBRh.通过1 H NMR,13 C NMR和质谱分析确定了PCBRh的结构,紫外-可见吸收光谱测试表明所合成的PCBRh在300~600nm比起PCBM具有更强的光吸收,这归因于3-乙基绕丹宁高的吸光系数.电化学测试表明PCBRh的最低未占轨道(LUMO)能级比PCBM高0.1eV,这是由绕丹宁基团的给电子作用引起的.将PCBRh作为受体光伏材料与聚己基噻吩(P3HT)共混构建出体相异质结太阳能电池,在优化的制备工艺(P3HT/PCBRh=1:1(质量比),135℃热处理10min)下,电池器件的能量转换效率为1.46%.通过AFM表征研究退火处理对光活性层的形貌的影响及其与电池器件效率的联系:与参比P3HT:PCBM共混薄膜相比,退火处理使P3HT:PCBRh薄膜中的P3HT聚集成长度约为20nm的长条,并且粗糙度较大,因此不利于激子的扩散与分离.     

碳纳米管光伏器件的研究进展

碳纳米管（CNT）具有优异的电学特性和独特的一维纳米结构，是制作光伏器件的良好材料.文中介绍了单根/多根CNT光伏器件、CNT薄膜光伏器件、CNT 有机光伏器件、杯状叠层CNT光伏器件等典型CNT光伏器件，并阐述了这些CNT光伏器件的结构及特性，分析了CNT在器件中的作用.