DPP基窄带隙聚合物光伏型探测器性能研究

有机/聚合物光探测器以其光谱选择可控、带隙可调、制备工艺简单、易于实现大面积柔性器件等突出优点,一直备受关注。选择结构简单的3,3′-双甲氧基取代的联二噻吩(OT)、3,4-二甲氧基噻吩(O)和3,6-二甲氧基噻并[3,2-b]噻吩(OTT)等寡聚噻吩单元作富电子单元,吡咯[3,4-c]吡咯-1,4-二酮(DPP)作缺电子单元,制备系列D-A型窄带隙共轭聚合物POT-DPP,PO-DPP和POTT-DPP,并对聚合物的热稳定性、吸收光谱、聚集状态、能级及其光伏型探测器件的光伏性能、电荷迁移、复合损失过程及比探测率(D*)等进行了系统研究。其中含更大共轭平面的POTT-DPP:PC71BM的光探测器的探测性能最佳,在400 nm和850 nm处的D*分别为1.87×10^(11)Jones和1.67×10^(11)Jones,这主要受益于器件中高且平衡的空穴/电子迁移率,能更好地抑制双分子复合、陷阱辅助复合以及形成更有利的光敏层表面形貌。此项工作证明,通过增大D-A型共轭聚合物主链上的富电子单元的有效共轭面积,可以调节聚合物的带隙,促进探测器件载流子迁移,抑制其复合,从而促进光伏型光探测器件性能的显著提升。

双烷硫基噻吩侧链光伏材料与器件研究

通过将硫原子引入到共轭聚合物的侧链中,不仅可以降低共轭聚合物的最高占据分子轨道(HOMO)能级,而且可以提高共轭聚合物的介电常数。二噻并[2,3-d∶2′,3′-d′]苯并[1,2-b∶4,5-b′]二噻吩(DTBDT)相对于[1,2-b∶4,5-b′]苯并二噻吩(BDT)有更大的共轭面,更长的共轭长度,有利于载流子的传输。在DTBDT的5,10位引入噻吩双烷硫基侧链,分别与受体单元[2,1,3]苯并噻二唑和氟代的[2,1,3]苯并噻二唑通过Stille偶联合成共轭聚合物PDTBDT-DST-BT和PDTBDT-DST-FBT。共轭聚合物PDTBDT-DST-BT和PDTBDT-DST-FBT在350~700 nm范围内有强的吸收系数,并且两种共轭聚合物有低的HOMO能级(-5.51 eV和-5.56 eV)和较高的介电常数,基于双烷硫基的引入,在1 kHz时共轭聚合物的介电常数从4.1增加到了5.2。将PDTBDT-DST-BT和PDTBDT-DST-FBT作为给体材料与富勒烯受体PC71BM制备有机聚合物太阳能电池(OSCs)器件,结果表明,共轭聚合物侧链中硫原子的引入,对光伏器件的开路电压(VOC)和填充因子FF有明显地提高,从而得到了5.05%的能量转换效率。

噻并噻吩-苯并二噻吩和TPTI共聚物的光伏性能

通过Stille聚合反应合成了含有烷基噻并[3,2-b]噻吩修饰的苯并[1,2-b∶4,5-b′]二噻吩(BDT)和五元稠环噻吩[2′,3′∶5,6]吡啶并[3,4-g]噻吩[3,2-c]异喹啉-5,11(4H,10H)-二酮(TPTI)单元D-A型共聚物PTTBDTTPTIC12和PTTBDT-TPTIHD,对比研究发现:通过改变和增加聚合物侧链的形状和大小,可增加聚合物的溶解性,改善器件的溶液加工性.基于倒置型光伏器件的测试结果显示:溶解性好的聚合物PTTBDT-TPTIHD的光伏性能较好,以聚合物PTTBDT-TPTIHD为给体、PC71BM为受体、MoO_3为缓冲层、Ag为阳极制备了本体异质结聚合物太阳能电池,当给受体质量比为1∶1.5时,能量转换效率(PCE)达到了3.09%,其开路电压(VOC)为0.83V;短路电流密度(JSC)为6.98mA·cm^(-2);填充因子(FF)为53.34%.

二噻并苯并二噻吩基有机太阳能电池给体材料的研究进展

有机太阳能电池(OSCs)因制备过程简单、质量轻、成本低廉和可制成柔性器件而备受学术界和产业界的青睐。增大重复单元的共轭面和共轭长度可明显增大π重叠、提高π-π堆积改善电荷迁移率,还可降低共轭体系重组能以利于光生激子拆分为自由电荷。相比苯并[1,2-b:4,5-b']二噻吩(BDT),二噻并[2,3-d:2',3'-d']苯并[1,2-b:4,5-b']二噻吩(DTBDT)具有更大共轭面和共轭长度,且有与BDT相似的最高分子占据轨道(HOMO)能级,给电子能力相近。二维的DTBDT共聚物和小分子材料相比一维的表现出优异的光伏性能,尤其是宽带隙共聚物PDBT-T1与改进的"合金"富勒烯或非富勒烯受体的效果显著。基于DTBDT优异的光伏特性和本课题组近年的研究工作,在此对含DTBDT单元的光伏给体材料的研究进展进行综述。

氟对噻并噻吩-苯并二噻吩基共聚物光伏性能的影响

以烷基噻并[3,2-b]噻吩修饰的苯并[1,2-b:4,5-b']二噻吩(BDT)为给电单元、苯并噻二唑(BT)/氟代苯并噻二唑(FBT)作缺电单元、烷基噻吩作π桥,合成了两个窄带隙交替共聚物:PTTBDT-DTBT和PTTBDT-DTFBT。对比研究发现:通过在聚合物主链结构上引入氟取代基,聚合物的溶解性变差、热稳定性提高、吸收光谱发生蓝移、加深了HOMO能级。基于倒置型光伏器件的初步测试结果显示:PTTBDT-DTFBT相比未氟代PTTBDT-DTBT,开路电压(VOC)从0.76 V增加到0.82 V,填充因子(FF)亦从53.04%增至54.52%,虽然短路电流密度(JSC)从6.62 mA cm^(-2)到6.28 mA cm^(-2)略有下降,最终能量转换效率(PCE)从2.67%提高到2.81%。可见通过在聚合物的骨架引入氟原子是一种改善聚合物太阳能电池性能的有效方案。

氟对含噻并[3,2-b]噻吩π桥的苯并三氮唑基共聚物的光伏性能影响

以噻并[3,2-b]噻吩(TT)修饰的二维苯并[1,2-b:4,5-b′]二噻吩(BDT)作给电子单元、TT作共轭π桥、苯并[d][1,2,3]三氮唑(BTA)或5,6-二氟苯并[d][1,2,3]三氮唑(FBTA)作缺电子单元,在三(二亚苄基丙酮)二钯(Pd2(dba)3)、三(邻甲苯基)膦(P(o-tol)3)催化剂体系下通过Stille缩合聚合方法制备了宽带隙共聚物PTTBDT-BTA和PTTBDT-FBTA。用核磁共振氢谱(~1 H-NMR)和碳谱(^(13)C-NMR)、元素分析、凝胶渗透色谱(GPC)、热重分析、紫外-可见吸收光谱和循环伏安法等对其进行了表征。系统研究了氟取代对材料的热稳定性、成膜性、吸收光谱、溶液状态下的聚集行为、固态薄膜的光稳定性、能级和光伏性能的影响。研究表明:相比PTTBDT-BTA,氟代聚合物PTTBDT-FBTA失重5%的热分解温度提高了20℃、溶解性明显变差、薄膜态吸光范围稍微变窄、氯苯溶液状态下聚合物链间聚集作用显著增强、薄膜的光稳定性提高且最高分子占有轨道能级(EHOMO)下降了0.10V。光伏性能测试显示氟取代使PTTBDT-FBTA基器件的能量转换效率(PCE)提高了49.3%,这获益于开路电压(UOC)提高了16.9%、短路电流密度(JSC)提高了13.2%和填充因子(FF)提高了11.8%。

烷硫噻吩基苯并二噻吩基聚合物的合成与光电性能

通过在[1,2-b∶4,5-b′]苯并二噻吩(BDT)的侧链引入硫原子,并与氟代的苯并三氮唑偶联合成共轭聚合物PBDT-AST-FBTA.将其和侧链为烷基噻吩的共轭聚合物PBDT-OT-FBTA进行了聚集性能、介电常数及光电性能的表征.两种共轭聚合物在350~630 nm之间有较强的吸光能力,其光学带隙分别是1.94 eV和1.96 eV,最高占据分子轨道(HOMO)能级分别是-5.36 eV和-5.22 eV.硫原子的引入相对介电常数从3.6增加至4.2,并提高了共轭聚合物的聚集性能.将PBDT-AST-FBTA和PBDT-OT-FBTA与非富勒受体小分子ITIC制备有机聚合物太阳能电池(OPVs)器件,研究结果表明,在共轭聚合物侧链引入硫原子,制备的光伏器件的开路电压(V OC)有了明显的提高,从而使其能量转换效率(PCE)提高了11.5%.

钙钛矿电池金属氧化物电子传输层的研究进展

在钙钛矿太阳能电池中,电子传输层(ETL)对其有不可或缺的作用,其功能主要是与吸收层形成电子选择性接触,提高光生电子提取,并且阻挡空穴向阴极方向迁移。综述了以金属氧化物作为电子传输层,分别介绍了氧化钛、氧化锌及氧化锡的特性,主要探讨表面处理、双层氧化物、氧化物与有机物相结合的界面修饰方法对它们性能的影响,对其进行了概括和总结,最后对氧化物电子传输层的前景进行了展望。

TIPS修饰的二噻并苯并二噻吩基太阳能电池材料研究

以5,10-双[三异丙基硅乙炔基]二噻并[2,3-d∶2′,3′-d′]苯并[1,2-b∶4,5-b′]二噻吩作给电子单元、苯并三氮唑(BTz)/异靛蓝(ID)作缺电子单元,合成两个D-A型交替共聚物:PDTBDT-TIPS-BTz和PDTBDT-TIPS-ID,并对其热稳定性、吸收特性、能级、分子构型和光伏性能进行了研究.一方面,TIPS侧基的引入大幅度降低了材料的HOMO能级,提高太阳能电池的开路电压;另一方面,强缺电子单元ID引入到D-A交替共聚物主链,明显降低带隙、拓宽了吸光范围.太阳能电池器件测试结果显示:PDTBDT-TIPS-ID表现出相对较高的能量转化效率2.92%,是PDTBDT-TIPS-BTz的1.77倍,这些提高主要得益于窄带隙材料能够更好地吸收太阳光.

机器学习在有机光电材料筛选中的应用

在材料信息学和数据科学取得了快速进展的同时,应用机器学习方法辅助有机光电材料筛选和设计仍然具有挑战性.结合监督学习与无监督学习的优势,以大约1 000个有机聚合物太阳能电池给体材料为数据集,围绕材料的电子特性和分子指纹序列特征,使用随机森林分类模型进行机器学习,探讨了不同分子指纹对学习结果的影响,并结合模型训练结果与测试结果进行验证分析,探索机器学习方法在聚合物太阳能电池材料筛选中的应用.从有机光电功能材料功能原理来看,材料光电特性的本质是材料中电子的各种行为带来的结果,与其分子结构是密不可分的。此方法亦可作用于不同类型有机光电材料筛选和设计中.

氮氧自由基共轭聚合物的合成及性能研究

选择2,5-双(三甲基锡烷基)噻吩(TSn)和双(4-氧基-2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧基)-2,5-二溴对苯二甲酸邻苯二甲酸酯(BPTPBr_(2))作为共聚单体,制备了含氮氧自由基的交替共轭聚合物PBPTP-T。采用核磁共振波谱、电子顺磁共振波谱、热重分析等手段对聚合物进行表征与分析。然后,制备了具有不同PBPTP-T含量(22.5%,30%和37.5%)的PBPTP-T/碳黑复合电极,并将其作为正极材料应用于锂离子二次电池中,测试其电化学性能。结果表明,PBPTP-T含量为22.5%的电极,首次放电比容量为88.1 m Ah/g,经过150次循环后,其放电比容量为72.0 m Ah/g,容量保持率大于80%,具有优异的充放电循环稳定性。表明PBPTP-T作为正极活性材料循环性能优异且稳定,具有一定的电化学应用前景。

宽光谱高探测率聚合物光探测器的研究进展

体异质结聚合物光探测器(PPDs)是一种捕获光信号并将之转化为电信号输出的器件,在实现高灵敏度、可溶液加工、低成本、较快响应速度及大面积全色宽光谱探测方面具有显著优势。比探测率(D*)是PPDs的一项关键性能指标,目前越来越多比探测率超过1012Jones的PPDs见诸报道。要进一步提升PPDs的性能,除了需要性能更加优异的新颖材料,还需要对其工作机理和调控要素进行深入系统的研究。基于近年来PPDs的相关研究和本课题组的研究工作,在此对比探测率超过1012Jones的共轭聚合物电子给体材料、共轭聚合物分子工程学优化、以及器件结构创新的最新成果进行简要综述。

有机自由基在有机太阳能电池中的应用

稳定自由基化合物由于其特有的顺磁性和自旋性,可实现对太阳能电池中激子拆分、电荷分离、电荷迁移、非辐射复合损失等载流子动力学过程的调控,从而提高太阳能电池的光电转化效率。由于能在空气中稳定存在的自由基种类相对较少,尤其缺乏具有普适性的能优化光伏器件性能的稳定自由基化合物,因此其在太阳能电池中应用的相关研究也并未受到广泛关注。主要综述了目前已报道的稳定自由基在太阳能电池中的主要应用类型,提出了目前出现的主要问题,并对有机自由基化合物未来在有机太阳能电池领域可能的发展方向做出了展望。

基于宽带隙聚合物太阳能电池的研究进展

有机太阳能电池因为制备过程简单、重量轻、成本低廉和可制成柔性器件等优点受到了广泛的关注。近年来,随着窄带隙小分子受体材料的快速发展,与之光谱匹配的宽带隙给体聚合物太阳能电池表现出较高的PCE。研究人员通过苯并二噻吩(BDT)、苯并二噻吩-4,8-二酮(BDD)、萘并双三唑和苯并三唑(BTA)等构建块,设计合成了一系列高效的宽带隙给体聚合物。在此对宽带隙聚合物非富勒烯太阳能电池的研究进展进行综述。

界面工程在非富勒烯太阳能电池中的研究进展

有机太阳能电池(OSCs)由于成本低、重量轻、可大面积制备等优点,已经显示出了巨大的前景。尤其是非富勒烯有机太阳能电池(NF-OSCs)的功率转换效率已超过18%。界面工程在不仅在提高器件效率,而且在器件稳定性方面也起着重要作用。有效的界面修饰可以改善载流子传输和收集效率。因此,对界面工程的研究是OSCs发展的重要途径。本文主要综述了NF-OSCs界面工程的最新研究进展,为之后界面材料的设计和改性提供方法指导。

Y系列梯形稠环非富勒烯受体研究进展

随着新型高性能非富勒烯受体(NFA)的出现,有机太阳能电池(OSC)进入了以高功率转换效率(PCE)为特征的研究新阶段。尤其是2019年Y系列非富勒烯受体的合成,通过对Y系列分子的缺电子核、侧链和端基的修饰,人们可以便捷地调控受体能级,优化分子形貌,从而得到性能更加优异的受体分子,基于Y系列的非富勒烯受体小分子的器件效率已经达到17%并有望突破20%。在此我们总结了Y系列受体分子的设计与器件应用中的研究进展,并展望Y系列非富勒烯电子受体未来发展。