氯取代近红外双缆共轭高分子材料与低能量损失单组分有机太阳能电池

近红外型双缆共轭高分子材料的光电转换效率(PCE)已经超过了10%,然而较大的能量损失限制了其性能的进一步提升。本工作中,我们合成了两个氯取代的近红外双缆共轭聚合物材料,分别命名为as-DCPIC-Cl和as-DCPIC-2Cl。氯原子的引入使得单组分有机太阳能电池的能量损失低至0.57 eV。其中,基于as-DCPIC-Cl的器件实现了10.14%的PCE,为基于非稠环电子受体的双缆共轭聚合物的最高性能。研究表明,氯原子在实现高性能单组分有机太阳能电池方面具有重要的作用。

生物质基有机太阳能电池材料研究进展

有机太阳能电池(OSCs)具有成本低、可大规模溶液加工、轻量化和柔性等优势,近年来已引起人们的广泛关注,当前OSCs的最高光电转换效率已超过19%。然而,绝大多数OSCs材料主要是采用化石资源衍生物制造,这对OSCs的可持续发展构成了严重威胁。研究者已开展了大量关于生物质基光电材料的开发工作,并成功将这些材料用作OSCs的衬底、光敏活性层与载流子传输层。本文首先对OSCs的器件结构和工作原理进行了介绍,重点对木质素、纤维素、叶绿素等生物质基光电材料的制备及其在OSCs中的应用展开综述,最后对生物质基OSCs材料的发展方向做出了展望,旨在为后续的相关研发工作提供借鉴。

全小分子有机太阳能电池研究进展

近年来,非富勒烯小分子受体材料(SMAs)由于具有高吸收系数、能级和带隙可调、优异的电学性质和光伏性能等优点受到广泛关注,设计和合成高性能SMAs已成为有机太阳能电池(OSCs)的研究热点。得益于SMAs的快速发展,OSCs的能量转换效率在几年内从3%~4%提高到19%。在成功合成小分子受体材料ITIC和Y6基础上,研究人员对分子结构设计进行了深入研究,开发出许多性能优异的SMAs。这些SMAs在提高器件效率和太阳能电池性能方面发挥了至关重要的作用。综述了全小分子OSCs的研究进展,并展望了未来OSCs的发展方向。

基于机器学习的有机太阳能电池能级预测及分子设计

作为分布式可再生能源关键组成部分的有机太阳能电池,其效率的主要限制因素是分子的最高占据分子轨道(HOMO)和最低未占据分子轨道(LUMO)之间的能级差异。为了能降低有机太阳能电池的制造成本,提高有机太阳能电池的能量转换效率,提出利用机器学习分析有机太阳能电池的能级,指导分子设计。首先,利用机器学习的高效性和成本效益,筛选出20个关键特征,以深入分析其如何影响光伏器件的性能。随后,构建了6种不同的预测模型,对比发现其中基于梯度提升的XGBT模型在预测有机太阳能电池性能方面表现最佳,其决定系数为0.8,并且其均方根误差仅为0.2。最后,利用该模型有效地预测了有机太阳能电池的性能,并且通过对HOMO与LUMO的深入分析,成功识别出两种影响有机太阳能电池能级的关键分子结构。

非富勒烯受体有机太阳能电池稳定性研究进展

近年来,基于非富勒烯受体(NFAs)的有机太阳能电池(OSCs)取得了迅猛的发展。单异质结OSCs的光电转换效率(PCE)已突破19%,这进一步推动了有机光伏技术的商业化进程。光电转换效率的快速提升源于活性层材料的创新开发、器件工程的优化以及对器件物理的更深刻理解。然而,稳定性问题已成为制约其商业化的一个主要因素。目前,关于活性层材料和电池器件稳定性的研究仍相对有限。在本综述中,我们对NFA-OSCs不稳定性的机理进行了简要介绍,包括NFAs的光氧化降解、不稳定的共混薄膜形貌以及界面层诱导的NFAs不稳定性。同时,我们总结了近年来国内外关于提高NFA-OSCs稳定性的研究策略。期望本综述能为实现高效、稳定的NFA-OSCs提供有益的指导。

基于萘核的A-D-A型非稠环受体合成及其高开路电压有机太阳能电池应用

为获得高性能、低成本、结构简单的非稠环电子受体分子,拓展其商业化应用的范围,以3,7-二溴萘-2,6-二醇和2,6-二溴萘-1,5-二醇为原料,通过烷基化反应、Stille偶联、Knoevenagel缩合反应等合成了两个异构化非稠环小分子电子受体26NO4F和15NO4F,并对其光学吸收、能级、热性能、光伏器件与形貌等进行表征。研究结果表明:在有机光伏器件中,使用PM7作为给体聚合物,PM7:26NO4F和PM7:15NO4F器件的开路电压(Voc)均超过1.0 eV,但PM7:26NO4F器件具备更高的短路电流(Jsc)和填充因子(FF),其光电转化效率(PCE)为6.01%,高于PM7:15NO4F器件的5.05%。提出一种基于萘核的高Voc电子受体分子设计思路,揭示了烷氧基取代位置对非稠环电子受体性能的影响。

高性能有机太阳能电池宽带隙聚合物给体材料研究进展

随着光伏材料的不断革新,有机光伏(OPV)电池的能量转换效率(PCE)已经接近20%,聚合物给体材料与小分子电子受体材料的开发被认为是提升OPV电池PCE的核心。在众多给体材料中,宽带隙聚合物给体材料因出色的光电特性已占据OPV给体材料的主导地位。为了进一步提高OPV的光伏效率,总结并梳理宽带隙聚合物给体材料的分子结构与其光电特性的关联是必要的。首先,本文总结了聚合物给体材料的光学带隙和分子能级的调控方法;其次,探讨并总结了聚合物溶液聚集效应的调控方法以及与光活性层形貌的关联;再次,强调了降低OPV电池的能量损耗重要性,并讨论了降低其能量损耗的方法;再次,针对当前优秀的宽带隙聚合物给体进行总结;最后,讨论了基于宽带隙聚合物给体的非富勒烯OPV电池商业化实现的机遇和挑战。

PEDOT:PSS在有机太阳能电池中的应用研究进展

聚(3,4-乙撑二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)具有良好的导电性和柔性,在可穿戴的柔性电致变色器件和柔性太阳能电池中显示出巨大的潜力。通过不同的化学沉积和物理掺杂可以更大的提高PEDOT:PSS的电化学性能。目前PEDOT:PSS在有机太阳能电池(Organic solar cells, OSCs)空穴传输层(HTL)的应用研究极为广泛,但是其具有低电导率、水/氧敏感、腐蚀电极等缺陷。为了追求优异的性能,常用的PEDOT:PSS空穴传输层仍需优化。本文综述了近年来PEDOT:PSS的各种改善方法和在有机太阳能电池空穴传输层中的应用研究最新进展,并介绍了PEDOT:PSS在柔性有机太阳能电池的应用。

点击化学交联用于提升有机太阳能电池活性层的稳定性

本文制备了以BDT为核心,侧链末端引入可交联的乙烯基的聚合物给体材料。采用三元共聚的合成方法,引入3%和5%含量的乙烯基片段,合成了材料CT-1和CT-2。随后基于材料自身的光电性能测试、器件活性层的形貌测试以及器件的光伏性能测试,分析了乙烯基片段的引入量与交联前后性能改变的内在联系。结果表明,适量的乙烯基交联不仅可以提升材料的稳定性,器件的光电转化效率(PCE)也得到了提高,其中CT-1与受体BTP-eC9制备的器件,其PCE达到了14%。

西北工业大学在有机太阳能电池活性层形貌调控领域取得研究新进展

日前,西北工业大学微电子学院梁秋菊副教授在《物理化学学报》(IF10.9)在线发表了题为“Application of Crystallization Kinetics Strategy in Morphology Control of Solar Cells Based on Nonfullerene Blends”的论文。目前该论文已入选ESI高被引及热点论文。

有机太阳能电池的研究进展

在日趋复杂的国内外环境背景的影响下,摆脱国外能源掣肘、实现可再生能源大面积覆盖显得尤为重要。有机太阳能电池(OSC)在利用清洁能源的同时,还具有质轻、半透明、柔性好等优点,可以用作各种低成本、美观的电源。最近几十年,新型受体和供体材料的开发、更好地收集载流子的界面材料以及相分离形态的优化,使有机太阳能电池的功率转换效率(PCE)显著提高。基于PM6:Y6活性层的OSC,其能量转化效率(PCE)已然越过了18%的大坎。全聚合有机太阳能电池(all-PSC)由于能级易调控、稳定性和柔性更好,前途远大。但由于缺乏高效聚合物受体,all-PSC的发展受到制约。与其他类型的太阳能电池相比,保持有机太阳能电池的长期稳定性和更高的效率仍然是其商业化的主要障碍。本文回顾并讨论了有机光伏电池的基本设计和分类、有机光伏电池的工作原理、受体材料的改性研究,并展望了有机太阳能电池未来的发展方向。

有机太阳能电池专刊

《高等学校化学学报》(CJCU)是中华人民共和国教育部主管、吉林大学和南开大学主办的化学学科综合性学术期刊.自1980年复刊后,《高等学校化学学报》一直致力于通过研究论文、研究快报和综合评述等报道我国高等院校和科研院所在化学学科及其相关交叉学科的最新研究成果.《高等学校化学学报》是我国最早被SCI收录的中文期刊之一,已被20多种国内外著名检索刊物和文献数据库摘引和收录,为“中国科技期刊卓越行动计划”入选期刊.

端基修饰聚合物给体制备高性能有机太阳能电池

端基工程是一种非常简单、操作方便的聚合物修饰策略,然而该策略用于调控非富勒烯有机太阳能电池性能的研究尚不充分.本文通过Stille偶联方法,分别以2-(2-乙基己基)噻吩(T-EH)、5-(2-乙基己基)-2,2′-联噻吩(2T-EH)和5-(2-乙基己基)-2,2′∶5,2′-三联噻吩(3T-EH)为封端基团,制备了3种新型的全封端聚合物给体PM6-T-EH,PM6-2T-EH和PM6-3T-EH.相比于未封端的聚合物给体PM6(效率为15.40%),封端后的聚合物PM6-T-EH,PM6-2T-EH,PM6-3T-EH与Y6制备的器件分别取得了16.66%,15.54%和13.50%的能量转换效率.研究发现,烷基单噻吩基团封端聚合物可以有效减少活性层中的载流子陷阱、优化活性层的形貌、改善电荷传输,从而提升器件的性能.随着封端基团噻吩单元的增加,器件性能逐渐降低,主要归因于封端剂共轭链增长、体积过大导致活性层形貌变差.在单噻吩封端的最优性能基础上,通过活性层优化,PM6-T-EH∶BTP-eC9体系的器件效率可达18.02%.

降低非富勒烯有机太阳能电池能量损失的机制和策略

在过去20年,溶液加工制备本体异质结有机太阳能电池(BHJ-OSCs)发展迅速,其能量转换效率(PCE)已经超过19%,但器件的能量损失(E_(loss ))相对较大,成为限制其光伏性能的瓶颈因素。因此,通过降低能量损失进一步提高OSCs的PCE成为该领域的研究重点。通过对OSCs中光物理过程的分析,讨论了不同能量损失途径的机理,综述了以下四种策略:(1)减小给受体间的能级差,(2)降低能量无序度,(3)提高器件的发光效率,(4)减小重组能。本文系统总结了降低非富勒烯OSCs体系E_(loss )的最新进展,为进一步提高该类器件性能提供重要参考。

协同富勒烯和非富勒烯受体提高卟啉全小分子三元有机太阳能电池的性能

将非富勒烯受体2,2′-{(2Z,2′Z)-[4,4,9,9-四(对己基苯)-4,9-二氢-S-引达省并二噻吩-2,7-二基]双(甲基亚基)}-双-(3-氧代-2,3-二氢-1H-茚-2,1-二亚甲基)二丙二腈(IDIC)作为第三组分引入小分子给体卟啉二聚体ZnP2-DPP和富勒烯(6,6)-苯基-C61-丁酸甲酯(PC_(61)BM)受体体系,构建了光电转换效率达12.18%的全小分子有机太阳能电池,高于ZnP2-DPP∶PC_(61)BM的9.47%和ZnP2-DPP∶IDIC的8.82%的光电转换效率.IDIC的引入扩大了光谱的吸收范围,并且促进了给受体之间的电荷转移,使得三元共混物中可以产生更高的光电流.另外,IDIC的加入优化了共混膜的形貌,分子取向也得到了明显的调整,形成了face-on和edge-on的混合取向,从而使活性层中形成了更有利的三维电荷传输通道,促进了短路电流密度和填充因子的提高.这种策略发挥了富勒烯和非富勒烯受体的优势,从而提高了有机太阳能电池的4个参数.

基于受体_(1)-受体_(2)型聚合物给体的高效有机太阳能电池

设计合成了2种宽带隙聚合物给体,分别命名为PDTz-BDD和PDTz-BDT.其中, PDTz-BDT是一种典型的给-受体(D-A)型共轭聚合物, PDTz-BDD是具有受体_(1)-受体_(2)(A_(1)-A_(2))型结构的共轭聚合物.采用BTP-e C9作为受体,分别与PDTz-BDD和PDTz-BDT共混构建有机太阳能电池,系统研究了两种给体的光伏性能.研究结果表明,具有A_(1)-A_(2)型结构的PDTz-BDD表现出更强的光吸收能力、更明显的溶液聚集效应与更优良的器件形貌,相应的光伏电池可以实现更高的光电转换效率(10.36%).本文不仅设计合成了2种新型给体,而且为构建A_(1)-A_(2)型共聚物以开发高效聚合物给体提供了参考.

不同卤化端基的非富勒烯受体对有机太阳能电池的影响

非富勒烯受体(NFAs)的端基卤化是制备高性能NFAs有机太阳能电池(OSCs)的有效方法.本文合成了3种NFAs(BTP-SSe-F,BTP-SSe-Cl和BTP-SSe-Br),其具有不同的卤化端基,分别为IC-2F,IC-2Cl和IC-2Br.对3种NFAs的光物理性能、电化学性质、有机光伏性能和活性层形貌等进行测试分析发现,氟化NFAs比氯化和溴化NFAs具有更低的能级.3种NFAs的紫外-可见吸收光谱相比于常见的受体材料都出现了红移,而且BTP-SSe-F具有更强的分子间作用力.BTP-SSe-F具有更优异并且平衡的电子和空穴迁移率.与BTP-SSe-Cl和BTP-SSe-Br相比,BTP-SSe-F共混膜具有更合适的粗糙度、更好的相分离尺寸和更强的π-π堆积作用.当聚[2,6-(4,8-双5-(2-乙基己基-3-氟)噻吩-2-基)-苯并[1,2-B:4,5-B']二噻吩]-ALT-(5,5-1',3'-二-2-噻吩-5',7'-双(2-乙基己基)苯并[1',2'-C:4',5'-C']二噻吩-4,8-二酮)(PM6)作为给体材料,基于BTP-SSe-F的光电器件表现出最高的功率转换效率(PCE=16.5%),具有最高的电流密度(J_(SC)=28.17 mA•cm^(-2))和填充因子(FF=74.11%).研究结果表明,不同卤化端基的NFAs对OSCs的光电性能有较大影响,其中端基的氟化可以有效构建高性能光伏材料.

基于三氟苯甲酸自组装阳极界面层的高性能有机太阳能电池

采用3,4,5-三氟苯甲酸(3FBA)材料构筑了自组装阳极界面层,相比于传统阳极界面层PEDOT∶PSS和MoO_(3),3FBA界面层具有更高的透过率及更好的疏水性.基于3FBA阳极界面层的有机太阳能电池实现了优异的短路电流密度(26.86 mA/cm^(2))与能量转换效率(18.16%),明显高于基于PEDOT∶PSS界面层的器件(26.28 mA/cm^(2),17.62%)和基于MoO_(3)界面层的器件(26.00 mA/cm^(2),17.15%).

有机太阳能电池第三组分对器件性能的影响

有机太阳能电池(OSCs)的能量转换效率(PCE)已经超过19%,但仍落后于商业化的无机硅太阳能电池。研究表明,通过在二元OSC中引入第三组分构建三元有机太阳能电池(TOSCs)可进一步提高器件的光伏性能。本文简要概述了有机光伏的发展历程,三元有机太阳能电池国内外研究现状,并就第三组分对器件性能的影响作了总结分析,如第三组分对短路电流、填充因子和能量损失的影响等。期望能给同行开展相关研究提供思路和一定的借鉴意义。

逐层沉积型有机太阳能电池的研究进展

近30年来,基于给/受体材料的本体异质结被认为是有机光伏器件最理想的器件结构.优化有源层中给/受体互穿网络结构,提高激子解离和载流子传输效率是提高本体异质结有机光伏器件性能的有效途径.近年来,给/受体逐层沉积的分层异质结有机光伏器件得到了快速发展,其光电转化效率可与本体异质结有机光伏器件的效率相媲美,这说明有机光伏器件领域诸多科学问题还有待深入研究.本文从工作机理、优化策略以及大面积制作潜力等方面,综合评述分层异质结有机光伏器件的代表性成果,重点阐述掺入添加剂、热处理及多元策略等在提高器件性能方面发挥的关键作用,讨论分层异质结有机光伏器件的现存问题,并展望了其发展趋势.