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.     

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.     

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%.     

我国单层白光OLED器件在京研制成功

近日,北京科技大学李立东教授课题组围绕白光有机发光二极管研制中的关键问题,合成出了聚合物白光材料和有机小分子白光材料等两类有机白光材料,并制备出了单层白光OLED器件,最大发光亮度大于10000cd／m^2,发光效率大于30cd／A,寿命大于1500小时,色温4000K-7000K。该器件可由溶液加工的方法制备,生产工艺简单,有望降低生产成本。另外,可溶液加工的载流子注入／传输层、器件出射光效率的改善、高反射率阴极结构选用等课题研究成果与将来主流的卷对卷生产工艺相兼容,具有很好的应用前景。     

小分子浴铜灵作为缓冲层的钙钛矿太阳能电池性能研究

以有机小分子浴铜灵(BCP)作为缓冲层,引入钙钛矿太阳能电池的电子传输层与阴极之间,研究其对钙钛矿太阳能电池的能量转换效率及载流子的传输特性的影响。结果表明,相对于无BCP缓冲层的钙钛矿太阳能电池,器件的最高能量转换效率由9.67%提高到13.06%。BCP缓冲层的引入,降低了电荷传递电阻,提高了阴极的电子收集能力,可增强钙钛矿太阳能电池的光伏性能。     

有机光伏材料与器件

正有机光伏器件是由共轭聚合物(或p-型共轭有机小分子)给体和富勒烯(或非富勒烯n-型有机半导体)受体的共混膜夹在透明导电电极和金属电极之间所组成,具有器件结构简单、制作成本低、重量轻和可制备成柔性器件等突出优点,近年来受到广泛关注,相关材料和器件的研究获得了快速发展。有机光伏器件研究的核心是提高光电能量转换效率(PCE),而提高效率的关键是拥有高效给体和受体光伏材料、高性能界面修饰层材料和新型器件结构。     

有机太阳能电池热点研究：聚合物、小分子、混合物

太阳能可以为全球提供无限的电力供应。然而在人类充分利用太阳能的道路上阻力来自于地球上稀有元素的匮乏，而这些元素正是目前制备太阳能面板不可或缺的重要材料，比如镓和铟。这些元素资源在本世纪末将可能消耗殆尽。在制备太阳能电池的另一条道路上，有机太阳能电池似乎成为了可持续发展的方向。但是，我们究竟应该使用何种有机材料呢？有机聚合物？小分子有机物？亦或掺杂硅的有机无机混合物？     

基于双阳极界面修饰层有机太阳能电池研究

为提高有机太阳能电池的能量转换效率,提出一种基于双阳极界面修饰层的有机太阳能电池优化方案。该方法主要采用四氟乙烯( PTFE: Polytetrafluoroethylene) 和五氧化二钒( V2O5: Vanadiumpentoxide) 作为阳极界面修饰层,制备了器件结构为ITO/PTFE/V2O5 /PCDTBT ∶ PC71 BM/LiF/Al 的有机太阳能电池。测试结果表明,引入PTFE/V2O5双阳极界面修饰层的有机太阳能电池的能量转化效率最高可达6． 52%。相比于V2O5单阳极界面修饰层器件效率提高了11． 5%。测试结果证明双阳极界面修饰层的功函数与PCDTBT 材料的HOMO 能级更加匹配,有利于空穴的传输和提取。同时PTFE/V2O5 改善了氧化铟锡( ITO) 表面形貌,减少界面缺陷,抑制了界面处载流子的复合。     

钙钛矿太阳能电池电子传输层的研究进展

虽然目前钙钛矿太阳能电池在效率和器件稳定性方面取得了一定突破,但是由于受到电子传输层的影响,其效率仍低于理论值且器件稳定性仍有提高的空间。系统介绍了典型的钙钛矿太阳能电池结构以及无机/有机电子传输材料各自的优缺点,并结合器件效率和稳定性梳理了单层、双层以及三层电子传输层钙钛矿太阳能电池的研究进展,最后对于合理设计电子传输层材料以兼顾钙钛矿太阳能电池的光电性能和稳定性提出了展望,以期为进一步提升钙钛矿太阳能电池性能提供借鉴。     

Efficient organic photovoltaic diodes based on doped pentacene

Recent work on solar cells based on interpenetrating polymer networks and solid-state dye-sensitized devices shows that efficient solar-energy conversion is possible using organic materials. Further, it has been demonstrated that the performance of photovoltaic devices based on small molecules can be effectively enhanced by doping the organic material with electron-accepting molecules. But as inorganic solar cells show much higher efficiencies, well above 15 per cent, the practical utility of organic-based cells will require their fabrication by lower-cost techniques, ideally on flexible substrates. Here we demonstrate efficiency enhancement by molecular doping in Schottky-type photovoltaic diodes based on pentacene--an organic semiconductor that has received much attention as a promising material for organic thin-film transistors, but relatively little attention for use in photovoltaic devices. The incorporation of the dopant improves the internal quantum efficiency by more than five orders of magnitude and yields an external energy conversion efficiency as high as 2.4 per cent for a standard solar spectrum. Thin-film devices based on doped pentacene therefore appear promising for the production of efficient 'plastic' solar cells.     

基于反射光谱的InxGa1-xN半导体薄膜厚度测量

氮化镓薄膜是制造蓝紫光光电子器件的理想半导体材料之一。三元合金InGaN薄膜是优良的全光谱材料而且不同In组分的InGaN薄膜叠层可用于研制高效率薄膜太阳电池。精确测量InGaN薄膜的厚度有利于研制高效率的光伏器件。本文利用分光光度计实验研究了蓝宝石衬底金属有机物化学气相沉积（MOCVD）技术生长的铟镓氮（InGaN）半导体薄膜的反射光谱。基于薄膜干涉原理,计算分析了InxGa1-xN薄膜的厚度;结果发现利用反射光谱中不同波峰、波谷确定的薄膜厚度相对偏差度的平均值为4．42％。结果表明用反射光谱的方法测量InxGa1-xN薄膜的厚度是可行的。     

化合物半导体Cu2ZnSnS4太阳电池与人工光合作用制氢

太阳能作为一种取之不尽、用之不竭的清洁能源,将成为未来新能源的重要组成部分.目前人们除了利用太阳能光伏发电以外,还有利用仿生光合作用将太阳能转化为化学能、利用半导体光电极分解水制氢等方式.而在半导体材料中,低成本环保型的化合物半导体光伏材料(如Cu₂ZnSnS₄等)具有优良的光伏发电性能,同时也非常适合作为太阳光分解水制氢的材料.文章综述了近年来在Cu₂ZnSnS₄光伏电池及其太阳光分解水制氢领域的研究进展.     

2017年有机功能材料研发热点回眸

 从高效柔性有机半导体器件、高效有机太阳能电池、高效有机白光二极管、有机光伏器件的磁效应、有机自旋光伏器件设计等5个方面，盘点了2017年有机功能材料领域的重要研究进展；从有机电子学、有机光电子学和有机自旋电子学等多个角度，回顾了有机功能材料新奇的物理现象及原理；预测了该领域未来的发展方向。     

A photovoltaic device structure based on internal electron emission

There has been an active search for cost-effective photovoltaic devices since the development of the first solar cells in the 1950s (refs 1-3). In conventional solid-state solar cells, electron-hole pairs are created by light absorption in a semiconductor, with charge separation and collection accomplished under the influence of electric fields within the semiconductor. Here we report a multilayer photovoltaic device structure in which photon absorption instead occurs in photoreceptors deposited on the surface of an ultrathin metal-semiconductor junction Schottky diode. Photoexcited electrons are transferred to the metal and travel ballistically to--and over--the Schottky barrier, so providing the photocurrent output. Low-energy (approximately 1 eV) electrons have surprisingly long ballistic path lengths in noble metals, allowing a large fraction of the electrons to be collected. Unlike conventional cells, the semiconductor in this device serves only for majority charge transport and separation. Devices fabricated using a fluorescein photoreceptor on an Au/TiO2/Ti multilayer structure had typical open-circuit photovoltages of 600-800 mV and short-circuit photocurrents of 10-18 micro A cm(-2) under 100 mW cm(-2) visible band illumination: the internal quantum efficiency (electrons measured per photon absorbed) was 10 per cent. This alternative approach to photovoltaic energy conversion might provide the basis for durable low-cost solar cells using a variety of materials.     

图案化氧化锌在能源器件中的应用

ZnO作为一种典型的直接带隙宽禁带半导体材料极具开发潜力和应用价值.随着图案化技术的不断发展优化,ZnO纳米棒阵列的精确可控制备逐步得到实现.本文综述了利用激光限域技术制备图案化ZnO纳米棒阵列的方法,并详述了其在太阳能电池和光电化学电池中的应用.激光干涉法制备的ZnO纳米阵列比表面积大且具有直线传输的优势,运用于光伏器件和电化学电池中增加了光吸收同时利于载流子传输,器件性能显著提高.图案化ZnO纳米棒阵列具有可控的三维空间结构,广泛应用关于各类能源器件中,具有极大的研究和应用价值.     

基于反射光谱的InxGa1-xN半导体薄膜厚度测量

氮化镓薄膜是制造蓝紫光光电子器件的理想半导体材料之一。三元合金InGaN薄膜是优良的全光谱材料而且不同In组分的InGaN薄膜叠层可用于研制高效率薄膜太阳电池。精确测量InGaN薄膜的厚度有利于研制高效率的光伏器件。本文利用分光光度计实验研究了蓝宝石衬底金属有机物化学气相沉积（MOCVD）技术生长的铟镓氮（InGaN）半导体薄膜的反射光谱。基于薄膜干涉原理,计算分析了InxGa1-xN薄膜的厚度;结果发现利用反射光谱中不同波峰、波谷确定的薄膜厚度相对偏差度的平均值为4．42％。结果表明用反射光谱的方法测量InxGa1-xN薄膜的厚度是可行的。     

TiO2/P3HT复合太阳能电池的制备和性能研究

用简单易行的一步水热法在透明导电玻璃FTO上制备了直径、密度及取向可控的TiO2纳米阵列,FTO同时作为底电极,用旋涂法将有机P型聚合物P3HT复合到阵列表面,磁控溅射制备Pt电极,组装TiO2/P3HT有机无机复合太阳能电池.通过XRD、SEM、紫外-可见光谱仪、I-V/J-V特性曲线等表征TiO2阵列薄膜及器件的结构、形貌和光电特性.研究制备TiO2纳米阵列的水热时间及无水乙醇的量对薄膜质量及复合太阳能电池光电性能的影响.通过优化各项参数,FTO/TiO2/P3HT/Pt简单双层结构的光器件在AM1.5,光强100mW/cm2下开,路电压Voc达到0.50V,光电转换效率IPCE达到0.11%.     

基于光伏发电与压电发电技术的便携式电源装置

针对现有便携式电源能量单一化的问题, 设计了一种基于光伏发电与压电发电技术的便携式电源装置。以太阳能与人体产生的动能作为能量来源, 分别通过太阳能电池板与压电陶瓷对两种能量来源进行收集利用。通过光伏发电和压电发电技术设计的太阳衣和压电发电鞋能优势互补、提高发电效率。同时对太阳能发电装置和压电发电装置单独工作和共同工作两种情况进行数据测量和分析。实验结果表明, 该装置符合便携式电源装置的技术指标要求, 克服了传统的便携型电源装置因受外界环境干扰而不能持续供电的缺限, 从而提高了发电效率。     

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.