有机小分子太阳能电池实验教学平台建设

采用真空热蒸镀方法制备有机小分子太阳能电池并测试其光电性能,使学生了解有机小分子太阳能电池的结构及制备工艺,熟悉Keithley半导体测试仪的使用方法,绘制器件的电流电压曲线,计算有机小分子太阳能电池的各项性能参数;通过对器件中每一层薄膜的制备和功能的分析,理解太阳能电池的结构和工作原理,并运用于工艺实验环节,着力提升学生的实践能力。

Ag纳米颗粒对有机小分子太阳能电池性能的改善

在有机小分子太阳能电池CuPc/C60和TiOPc/C60的阳极ITO表面分别制备了一层Ag纳米颗粒,并采用MoO3作为阳极缓冲层,器件的性能均得到有效改善。Ag纳米颗粒的引入所形成的表面等离子激元共振可显著提高有机光活性层的吸收效率和光生激子的分解效率;而MoO3有效抑制了光生激子在有机/金属界面处发生的猝灭,提高了器件的短路电流,并保持其它性能不变,最终提高器件的光电转化效率。

有机小分子太阳能电池:氟代对活性层形貌的精确调控

随着人们对能源和环境问题的重视,太阳能利用已经成为一个非常重要的研究领域。有机太阳能电池因其低成本、轻柔、可印刷制备等优点,成为具有重要应用前景的太阳能利用方式之一。近年来可溶性有机小分子光伏材料以其分子结构明确、高纯度、高重复性等优势引发了科学家们的研究兴趣1。在有机太阳能电池的研究中,反向结构器件具有更好的稳定性,因此提高反向结构有机太阳能电池的效率具有更加重要的意义。

可溶液加工对称A-D-A有机小分子太阳能电池给体材料研究进展

20世纪以来,随着科技的进步和人类社会的发展,非再生传统化石能源日渐短缺,并且化石能源的使用也带来各种环境污染问题。因此,开发绿色无污染的新能源已成为世界各国研究的重点。基于硅等无机半导体材料的传统太阳能电池不仅生产工艺复杂,成本过高,而且会引起环境污染问题。近10年来,有机小分子太阳能电池的研究和应用发展迅速,其因优异的光电转换性能受到学者们的广泛关注。目前基于小分子材料的有机太阳能电池的光电转换效率最高已达到16%~17%。给体材料是太阳能电池活性层中的重要组成部分,不仅是小分子太阳能电池研究的关键基础,也是有机光伏器件未来产业化应用需要考虑的关键。选择合适的电子给体小分子与电子受体材料进行有效结合,可以优化器件的光吸收能力和调节电化学能级匹配度,是提高太阳能电池光电转化效率的关键。目前有机小分子给体材料主要分为非对称型电子推拉结构和对称型给体-受体-给体(或受体-给体-受体结构)。其中,以噻吩衍生物为主的对称结构小分子因其优异共轭平面性、高电荷传输率和可修饰性分子结构等优点而备受关注。本文主要对可溶液加工对称结构小分子太阳能电池给体材料进行了归纳总结,主要有寡聚噻吩类、苯并二噻吩类、吡咯并吡咯二酮类、二噻吩并噻咯类和卟啉类给体材料等。通过阐述已有对称小分子给体材料的研究进展,对比分析各种小分子给体材料的优缺点,展望小分子给体材料在有机光伏领域中的发展趋势和研究前景。

活性层优化对有机小分子太阳能电池的影响

首先制备了给体(Al Pc Cl)和受体(C70)比例为1∶1的电池器件并采用不同的温度对电池进行退火处理,发现在120℃的温度下退火电池器件的性能最好,器件的转换效率从2.28%提高到2.47%,增加了8.3%。为进一步优化电池器件的性能,制备了在相同的活性层厚度下不同的给受体比例的电池器件,发现在给受体的厚度之比为1∶5时器件性能最好,电池开路电压为0.8 V,短路电流为10.21 m A/cm^2,填充因子为46.04%,转换效率为3.71%。

我国可溶性有机小分子太阳能电池研究获进展

中国科学院国家纳米科学中心和西安交通大学的研究人员合作,设计并合成了可溶性有机小分子光伏材料,通过活性层形貌优化,获得了11.3%的光电转换效率,达到了可溶性有机小分子太阳能电池的最高效率。研究人员通过改变可溶性小分子端基受体中氟原子的个数,

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。

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。

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。

具有陷光结构的半透明有机/铜锌锡硫硒四端串联太阳能电池

采用半透明有机太阳能电池和铜锌锡硫硒太阳能电池构成四端串联太阳能器件,并且利用表面具有微型金字塔结构的微米聚二甲基硅氧烷(PS-PDMS)膜的减反射作用来提高太阳能电池的效率。为了研究PS-PDMS的尺寸和放置位置对四端串联太阳能电池性能的影响。制备了尺寸分别为18μm、14μm和9μm微型金字塔结构的PS-PDMS薄膜,比较了不同尺寸下PS-PDMS薄膜的减反射效果,发现9μm尺寸的PS-PDMS薄膜的减反射效果最好。将9μm尺寸的PS-PDMS薄膜用在四端串联太阳能电池的底电池时,四端串联太阳能电池具有最佳效率。最终获得了效率为11.26%的四端串联太阳能电池。与单结铜锌锡硫硒太阳能电池相比,四端串联太阳能电池的最佳效率提高了27.51%。

有机电子传输材料在反式钙钛矿太阳能电池中的研究现状

近年来,反式结构的钙钛矿太阳能电池凭借制备工艺简单、可低温成膜、迟滞效应低、适合与传统太阳能电池结合制备叠层器件等优点,受到了人们广泛的关注,经过几年的发展,反式钙钛矿太阳能电池的光电转化效率已从3.9%提升到25.37%。其中电子传输层作为钙钛矿太阳能电池的重要组成部分,在提取和运输载流子、阻挡空穴、调节界面能级结构和抑制电荷复合等方面起着关键性的作用。一些有机材料(富勒烯及其衍生物、苝二酰亚胺、萘二酰亚胺等)凭借容易合成和纯化、能级可调、电子迁移率高、溶解性好、化学/热稳定性良好等优势,已经广泛应用于反式钙钛矿太阳能电池。本文主要介绍了不同有机电子传输材料在反式钙钛矿太阳能电池中的研究现状,还介绍了电子传输层掺杂和界面修饰两种提升器件性能的改性手段,旨在为开发全新的有机电子传输材料提供基础性的理论指导。

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、光伏器件与形貌等性能进行表征。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(V oc)均超过1.0 eV,但PM7:26NO4F器件具备更高的短路电流(J sc)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V oc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。

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。

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。

有机自由基在钙钛矿太阳能电池中的应用

钙钛矿太阳能电池(PSCs)由于其优异的光电性能而发展迅猛,其单节电池的能量转化效率(PCE)已经超过了26%,有望成为下一代商业化光伏技术。然而,电池稳定性的问题限制了它们的商业应用。PSCs中大量的缺陷存在将直接影响其性能和稳定性,因此,开发协同提高器件性能与稳定性的光伏材料尤为重要。有机自由基及其聚合物具有开壳型电子结构,在其分子中携带不成对的电子,含有缺电子中心,具有潜在的结合电子的能力,从而有望钝化钙钛矿中的缺陷及提高电荷传输层的导电性能。因此本文主要回顾了近年来有机自由基及其聚合物作为钝化剂和掺杂剂在钙钛矿太阳能电池中的应用,并对其进行了总结与展望。

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%。

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。

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。