富勒烯吡咯烷衍生物的合成及其在反式钙钛矿太阳能电池中的应用

[目的]由于目前在反式钙钛矿太阳能电池中使用最广泛的富勒烯基电子传输材料[6,6]-苯基-C₆₁-丁酸甲酯(PCBM)存在合成复杂、成本高的问题,因此开发低成本、可溶液处理的新型富勒烯电子传输材料具有非常重要的意义.[方法]采用Prato反应一步合成两种低成本的新型富勒烯吡咯烷衍生物F1和F2,并将其作为电子传输材料应用于反式钙钛矿太阳能电池.通过紫外-可见吸收光谱和循环伏安法研究了这两种富勒烯分子的能级,并研究了由这两种富勒烯吡咯烷衍生物作为电子传输层的反式钙钛矿太阳能电池的光伏性能.[结果]含有苯甲酸酯侧链的F2比含有烷基酸酯侧链的F1具有更高的电子迁移率,因此对应的器件获得了更高的填充因子和光电转换效率.最终,以F2作为电子传输层的反式钙钛矿太阳能电池获得了最高19.86%的光电转换效率,这一结果与同等实验条件下制备的基于PCBM的对照器件的效率基本一致.[结论]本研究采用Prato反应一步合成了两种富勒烯吡咯烷衍生物,并发现侧链对其光伏性能有重大影响.该项工作对于开发兼具高效率和低成本的可溶液处理的富勒烯基电子传输材料的设计具有一定的参考价值.     

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.     

高效P3HT:PC_(71)BM聚合物太阳能电池的研制

以P3HT为电子给体,PC_(71)BM为电子受体,制备聚合物太阳能电池.通过溶剂退火工艺,器件的能量转换效率从0.71%提高到3.33%,然后经过热退火工艺处理活性层,器件的性能得到进一步提高,其中能量转换效率达到4.46%、短路电流为10.71 m A/cm~2、开路电压达到0.59 V、填充因子为70.6%,其结果可能是溶剂退火和热退火提高P3HT的结晶性造成的.     

溶剂退火和热退火双重优化对P3HT:PCBM活性层形貌和性能的影响

采用旋涂法制备了聚3-已基噻吩(P3HT)和富勒烯衍生物【6.6】-苯基-C61-丁酸甲酯(PC61BM)的共混薄膜,通过调控制备过程中活性层的旋涂时间及热退火温度,研究了溶剂退火结合热退火的双重优化对活性层形貌和性能的影响.利用紫外-可见光(UV-ViS)吸收光谱、原子力显微镜(AFM轻敲模式)和X射线衍射光谱(XRD)等测试手段,分别对P3HT︰PCBM活性层的形貌和性能进行了表征,结果表明,该制备方法可以有效地改善P3HT:PCBM活性层的形貌和性能.     

图案化聚合物电极及其在有机太阳能电池中应用

为了提高聚合物载流子迁移率,本文对图案化聚合物聚3,4-乙撑噻吩/聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT∶PSS)作为半导体聚合物的基底对载流子迁移率的影响进行研究.以聚二甲基硅氧烷(PDMS)为模板,利用基于毛细力原理的软压印技术,使硬度系数很高的聚合物PEDOT∶PSS形成图案化结构.此压印方法可形成大面积高保真的图案,且适合工业化生产.阐述了图案化PEDOT∶PSS可增加与活性层的接触面积,从而缩短聚合物载流子的迁移路径,有效地提高了聚合物载流子的迁移率.同时图案化结构散射入射光进入活性层,促进活性层光的吸收,从而提高了光电流.最后,本文将图案化PEDOT∶PSS作为电极应用到有机太阳能电池聚3-已基噻吩与富勒烯衍生物(P3HT∶PCBM)共混体系中,对其研究发现图案化后的PEDOT∶PSS能有效地提高了太阳能电池P3HT∶PCBM共混体系的能量转换效率.     

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.     

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.     

苄基三乙基氯化铵参与的C60环加成反应研究

苄基三乙基氯化铵、[60]富勒烯和N-甲基甘氨酸在加热的条件下发生环加成反应,生成N-甲基-2-苯基吡咯烷[3＇4’：1,2][60]富勒烯1和N-甲基-2-甲基吡咯烷[3＇4’：1,2][60]富勒烯2。通过紫外可见光谱、红外光谱、质谱、核磁共振谱等检测手段对产物1和2结构进行了表征。对产物1和2的形成机理进行了初步探讨,反应可能先由苄基三乙基氯化铵在加热条件下发生C—N’键异裂,生成苄基碳正离子和乙基碳正离子,然后碳正离子和N-甲基甘氨酸作用形成甲亚胺叶立德,甲亚胺叶立德与[60]富勒烯发生环加成反应得到产物1和2。     

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.     

双重优化对基于P3HT:PCBM有机太阳能电池效率的提高

有效提高太阳能电池对光的吸收效率是提高太阳能电池能量转换效率的重要因素.在以poly(3-hexylthiophene)(P3HT)为电子给体材料,[6,6]-phenyl C60-butyric acid methyl eater(PCBM)为电子受体材料的有机太阳能电池中,Poly-(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrenesulfonate)(PEDOT:PSS)与活性层之间插入不同厚度的P3HT层,并在P3HT层最佳厚度的基础上,进一步在活性层中掺杂不同比例的Ag纳米粒子,双重优化了电池器件.当插入45 nm的P3HT层及掺杂质量比为5%的Ag纳米粒子时活性层薄膜的形貌及内部结构得到了改善,电池对光的吸收,及外量子效率得到了显著地提高,并出现红移现象.在25°C,光强为100 mW/cm2的条件下测量其短路电流密度JSC为11.21 mA/cm2,能量转化效率PCE为3.79%.     

2-(4-羟基苯基)[60]富勒烯吡咯烷衍生物的合成研究

利用1,3-偶极环加成反应,合成分离得到了一种C60吡咯烷衍生物:2-(4-羟基苯基)[60]富勒烯吡咯烷,通过单因素方法,探讨了反应条件对产物产率的影响,并得到了较适宜反应条件:反应物摩尔比(C60:4-羟基苯甲醛:甘氨酸)为1∶4∶6,反应温度为100℃,反应时间为18 h,此时产物的产率可达到53%(以消耗的C60计)。同时用UV-Vis、1H-NMR、FT-IR、MS等测试手段表征了产物的结构,并利用差热分析仪测试了产物的热稳定性,结果表明,产物在一定温度下,具有良好的热稳定性。     

空穴传输材料在钙钛矿太阳电池中的应用

针对钙钛矿太阳电池空穴传输材料进行了综述,主要介绍了近几年钙钛矿太阳电池发展过程中一些典型的空穴传输材料,对有机小分子、聚合物和无机材料3类空穴传输材料进行了分析总结。有机小分子空穴传输材料中对2,2’,7,7’-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9’-螺二芴(Spiro-OMeTAD)的研究最多,但其合成复杂,成本过高,研发一些低成本的类似物是目前有机小分子空穴传输材料的研究方向;聚合物空穴传输材料中(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)(PEDOT:PSS)、聚[双(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺](PTAA)、聚(3-己基噻吩)(P3HT)3者均表现出不错的光电转换效率,通过掺杂可提高导电性进而提高电池的效率;无机空穴传输材料中效率最高的是CuSCN与NiOx,具有空穴迁移率高、带隙宽、合成简单、生产成本低等优点,制备的电池均取得了超过20%的光电转换效率。课题组也一直致力于高性能低成本的空穴传输材料的研究,已经合成了Cz-OMeTAD、SDF-OMeTAD、BDT2FMeDPA 3种成本较低性能较好的有机小分子空穴传输材料。通过对目前各种空穴传输材料的优...     

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％.     

N-[2-(3,4-二甲氧基苯基)乙基-]-N'-(2-苯乙基)-1,6-己二酰胺合成新工艺

设计了以己二酸单甲酯为原料,经酰氯化、缩合、水解、酰氯化、缩合等反应合成N-[2-(3,4-二甲氧基苯基)乙基]-N,-(2-苯乙基)-1,6-己二酰胺的新工艺.该工艺操作简单,分离纯化容易,N-[2-(3,4-二甲氧基苯基)乙基]-N,-(2-苯乙基)-1,6-己二酰胺的收率达75.2％,适合大规模工业生产.通过核磁...     

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。     

萘并[1,2-b:5,6-b']二呋喃衍生物的合成及其光伏应用

为了制备出高能量转换效率的聚合物给体光伏材料,本文采用Stille偶联反应合成了一种新型的萘并二呋喃(NDF)类电子给体材料NDF-2DPP,并将其应用到太阳能电池的研究中.光学性能表明NDF-2DPP的吸收范围在300～750 nm间,对应的光学带隙为1.65 eV.光伏器件结果显示,当NDF-2DPP︰PC61BM...     

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7220...     

基于SQ2染料与P3HT的固态染料敏化太阳能电池

将近红外吸收染料SQ2与可见光吸收空穴传输材料P3HT结合起来制备固态染料敏化太阳能电池,并用锂盐对TiO2/SQ2表面进行处理来调节器件的光伏性能.通过模拟太阳光照射测试和单色光量子转换效率(IPCE)测试来研究器件的光电性能.测试结果表明,经过锂盐处理后,器件的短路电流(JSC)、填充因子(FF)和转换效率都获得提升.IPCE测试显示,经过锂盐处理后器件在P3HT吸收光谱范围内产生的量子效率没有变化,但在SQ2吸收光谱范围内产生的量子效率明显提升.通过分析得出结论是：锂盐处理不能提高P3HT所吸收的光量子转换效率,但可以提升SQ2染料所吸收的光量子转换效率,进而提高了固态染料敏化太阳能电池的光电转换效率.     

N-甲基-2-(4-醛基苯基)-3,4-C60吡咯烷衍生物的合成及量子化学计算

设计合成了一种新的C60吡咯烷衍生物:N-甲基-2-(4-醛基苯基)-3,4-富勒烯吡咯烷(C70H11NO),以FTIR、UV-Vis1、H-NMR1、3C-NMR、ESI-MS进行了表征,运用Gaussian 98量子化学程序包,采用B3LYP密度泛函的方法,在3-21G水平上对分子的几何构型进行了优化,在优化的基础上用INDO/CI的方法计算了化合物的电子光谱.结果表明,吡咯环的引入导致HOMO与LUMO间的能级差减小,C60母体与加成基团之间存在分子内电荷转移.计算所得电子光谱值与实验结果基本吻合.     

氟原子对光伏聚合物性能的影响

以二(2-辛基十二烷氧基)苯并二噻吩(ODBDT)为供体单元,分别与受体单元二噻吩苯并噻二唑(DTBT)和二氟代二噻吩苯并噻二唑(DTffBT)共聚,合成了两种具有给-受体(D-A)结构的共轭聚合物PODBDT-DTBT和PODBDT-DTffBT。利用紫外-可见吸收光谱、循环伏安法研究了聚合物的光物理与电化学性能,并通过光伏性能测试研究了氟原子对聚合物太阳能电池的影响规律。结果表明,氟原子的引入使得聚合物的光学带隙变窄,溶解性变差;基于PODBDT-DTBT或PODBDT-DTffBT与PC71BM共混制备的本体异质结太阳能电池,光电转化效率分别为3.01%和2.00%。