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。

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。

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。

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.

聚合物添加剂作为形貌调节剂提升全小分子有机太阳能电池的效率和稳定性

活性层形貌的调控是实现全小分子有机太阳能电池高效率和稳定性的关键.本文将聚合物给体PM7作为形貌调节剂加入到BTTzR∶Y6二元体系中,制备了三元全小分子有机太阳能电池.研究结果表明,少量PM7的加入能够有效改善共混膜中的微观纳米结构和分子堆积,促使器件获得更加有效的激子解离和载流子传输;相应器件的短路电流和填充因子显著提升,最终能量转化效率从二元器件的13.9%提高到三元器件的16.0%.值得注意的是,三元器件的热稳定性大幅提升,在85℃加热2200 min后依然能够保持初始效率的79%;而二元器件则大幅衰减到初始效率的43%.以上结果表明,添加聚合物添加剂可以有效地调节共混膜形貌,以获得高效和稳定的全小分子有机太阳能电池.

基于刚性连接单元的双缆共轭高分子材料的合成及在单组分有机太阳能电池中的应用

通过调节刚性连接单元中联二噻吩的烷基链区域位置,合成了两种新型双缆共轭高分子聚合物聚[2-(4-{3,3′-十二烷基-5′-[4-(1-{4-[5-(2-乙基己基)噻吩-2-基]-8-[5-(庚烷-3-基)噻吩-2-基]苯并[1,2-b∶4,5-b′]二噻吩-2-基}-4,6-二酮-4H-噻吩并[3,4-C]吡咯-5(6H)-基)苯基]-[2,2′-联噻吩]-5-基}-苯基)-9-(二十三烷-12-基)蒽[2,1,9-def∶6,5,10-d′e′f′]二异喹啉-1,3,8,10(2H,9H)-四酮](FLP7)和聚[2-(4-{4,4′-十二烷基-5′-[4-(1-{4-[5-(2-乙基己基)噻吩-2-基]-8-[5-(庚烷-3-基)噻吩-2-基]苯并[1,2-b∶4,5-b′]二噻吩-2-基}-4,6-二酮-4H-噻吩并[3,4-C]吡咯-5(6H)-基)苯基]-[2,2′-联噻吩]-5-基}-苯基)-9-(二十三烷-12-基)蒽[2,1,9-def∶6,5,10-d′e′f′]二异喹啉-1,3,8,10(2H,9H)-四酮](FLP8).这两种双缆共轭高分子聚合物基于噻吩二甲酰亚胺(TPD)给体骨架和苝酰亚胺(PBI)受体侧链.通过调控刚性连接链上烷基链的位置,使刚性链处烷基链的构象由朝外变为朝内,从而改善了聚合物的自聚集能力、薄膜形态和光电转换效率.与FLP8聚合物相比,FLP7聚合物在单组分有机太阳能电池中表现出更高的光电性能参数,实现了1.59%的能量转换效率.

无掺杂空穴传输材料在n-i-p型钙钛矿太阳能电池中的应用研究进展

钙钛矿太阳能电池(perovskite solar cells,PVSCs)因长期稳定性差和制造成本高难以实现工业化生产。其制备中最常用的空穴传输材料(hole-transporting materials,HTMs)为2,2′,7,7′-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9′-螺二芴,需一定量吸湿添加剂以实现高效的空穴提取,导致对水敏感的钙钛矿层受到破坏。无掺杂HTMs避免了吸湿添加剂的使用,且成本低、合成步骤简单。综述了应用于n-i-p型PVSCs的YT5、M7-TFSI、P3HT、PBDB-Cz等高效率无掺杂有机小分子以及聚合物HTMs,提出了理想HTMs在器件性能、分子结构、合成条件、经济成本等方面的设计原则,并展望了无掺杂HTMs在PVSCs商业化过程中的应用前景。

液晶分子在有机太阳能电池中的应用研究进展

液晶分子应用于有机太阳能电池器件是近年来光电领域的研究热点之一。液晶分子是一类兼具晶体和液体性质的功能性软材料,且具有较强的自组装特性。利用液晶分子的光吸收互补可有效调控有机太阳能电池的光吸收范围。此外,液晶分子具有强结晶性,能诱导活性层分子自组装提高其有序性,同时能提高分子结晶性能,从而提高活性层电荷迁移率,最终提高有机太阳能电池器件的短路电流和填充因子。因此,本文从液晶分子在活性层组分中发挥的作用出发,综述了其分别作为有机太阳能电池活性层材料和添加剂的研究进展。最后,对液晶分子在有机太阳能电池应用过程中存在的问题及今后的发展进行了总结和展望。

挥发固体添加剂调控有机太阳能电池性能的研究进展

本体异质结(BHJ)有机太阳能电池(OSC)因具有可溶液制备、绿色无毒及可柔性化等特点而被视为具有广阔应用前景的太阳能电池技术之一.活性层内部的纳米形貌是决定器件性能和工作稳定性的关键因素之一.基于此,研究者先后开发了热退火、溶剂退火和溶剂添加剂等形貌优化方法.然而,上述处理方式不能与大面积印刷工艺兼容,而且不利于器件内部形貌和性能的稳定性,因此寻找简单高效的形貌调控手段是OSC研究的热点.近年来,挥发固体添加剂因其独特的分子特性,能够与给受体分子间形成较强的相互作用力,被认为是提升OSC能量转换效率(PCE)和稳定性的发展方向.本文系统总结了非卤素及卤素型挥发固体添加剂调控OSC形貌和光伏性能的研究现状,深入讨论了挥发固体添加剂优化活性层形貌的不同机理,包括分子间吸附能、给体与受体的相互作用、晶体成核和生长等;分析了挥发固体添加剂策略所面临的挑战和未来的发展趋势.

以锗为桥接原子的受体材料及其在有机太阳能电池中的应用

有机光伏材料由具有光敏特性的共轭骨架和增溶的烷基侧链组成,而连接两个部分的桥原子对分子的空间构型与材料的光电性质具有重要影响.本文发展了以锗原子为桥接原子的受体材料,并研究了其构效关系.相比于传统的C—C键,更长的C—Ge键改变了烷基侧链与共轭骨架之间的距离,并且影响了共轭骨架的平面性.引入含氟末端基团,通过氟原子诱导的非共价键相互作用对分子构型和固态堆积模式进一步调控.由此设计合成的GD4F-C8材料具有较宽的吸收光谱及合适的能级,并且在薄膜中与聚合物给体PM6的相容性较强,改善了活性层的形貌,基于PM6∶GD4F-C8的有机太阳能电池取得了8.74%的光电转换效率,证明了含锗类材料在有机太阳能电池中的潜力,并为高性能受体材料的开发提供了新思路.

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。

基于苯并二噻吩的非对称型小分子给体材料的合成及其在有机太阳能电池中的应用

以烷氧基和苯基作为一维和二维取代基来构造非对称型的苯并二噻吩(BDT)结构,以三联噻吩作为偶联π桥,以氰基乙酸异辛酯作为封端基团,设计并合成了基于非对称型BDT的小分子DCA3TPBDTOC16和DCA3TFPBDTOC16-m,并首次将该类型的小分子作为活性层给体材料应用到有机太阳能电池器件中。两个小分子均表现出良好的热稳定性,较宽的吸收峰和较为平整的平面构型,最终,小分子DCA3TPBDTOC16表现出0.30%的光电转换效率(PCE),相应的开路电压(VOC)为0.387V,短路电流密度(JSC)为2.126mA/cm2,填充因子(FF)为29.39%,在此基础上,在BDT侧链上的苯环取代基上引入F原子来优化来调控分子能级,最终小分子DCA3TFPBDTOC16-m表现出了1.20%的PCE值,VOC为1.007V,JSC为1.61 mA/cm2,FF为29.34%,其中VOC=1.007V与目前为止基于苯并二噻吩的小分子给体材料所表现出的最高开路电压值相近。这些结果表明,基于非对称型BDT的小分子给体材料在有机太阳能电池应用上具有巨大的潜力。

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。

全小分子非富勒烯有机太阳电池效率突破10%

有机太阳电池由p-型有机半导体(p-OS)给体和富勒烯衍生物或n-型有机半导体(n-OS)受体共混活性层夹在透明导电电极和金属电极之间所组成,具有结构简单、重量轻、成本低以及可采用溶液加工方法制备成柔性和半透明器件等优点,成为了近年来新能源研究领域的研究热点。将传统有机太阳电池使用的富勒烯衍生物受体用n-OS受体材料取代,可以克服富勒烯受体存在的可见光区吸光弱、能级调控困难和形貌稳定性差等缺点,是提高有机太阳能电池光伏性能和稳定性的有效方法。

引入液晶小分子实现高效厚膜三元有机太阳能电池

有机聚合物太阳能电池因其具有全固态、光伏材料性质可调范围宽、可实现半透明、可制成柔性器件以及可采用卷对卷印刷工艺大面积、低成本制备等突出优点而引起了广泛关注并得到了快速发展（1,2）。其中三元有机太阳电池作为一种有效提高电池器件效率的办法也成为有机聚合物太阳能电池研究中的一个热点3。一般情况下,

基于非富勒烯受体的溶液加工型全小分子太阳能电池研究进展

有机太阳能电池(OPV),具有质量轻、可成本低制备等优势,是一种具有实际应用潜力的光伏技术。有机太阳能电池活性层可以由共轭聚合物或溶液可加工的小分子材料(给体与受体)共混组成。由于小分子材料具有明确的分子结构,纯度可控及无批次差别影响的特点;并结合近年来非富勒烯小分子受体的快速发展,使得非富勒烯全小分子(NF-SM-OPV)电池研究受到广泛关注。由于大部分A-D-A型非富勒烯受体分子具有各向异性的特点,这使激子解离和电荷传输,很大程度上受分子间堆积方式的影响,导致非富勒烯全小分子电池活性层形貌调控更加复杂。虽然非富勒烯小分子太阳能电池具有非富勒烯受体材料和小分子材料的双重优势,但高效率非富勒烯小分子太阳能电池的制备,仍具有很大挑战。因此,本文总结近年来高性能非富勒烯小分子太阳能电池的相关进展。着重介绍针对非富勒烯受体的给体小分子材料设计工作,并在此基础上近一步讨论非富勒烯小分子太阳能电池面临的挑战与展望。

有机太阳能电池中基于苝二酰亚胺结构小分子受体进展

最近几年,有机太阳能电池中的非富勒烯小分子受体研究引起了人们的兴趣。其中,苝二酰亚胺(PDI)类分子因具有良好的电子传输能力,较强的电子亲和力,稳定的光、热、化学性能以及化学结构的可设计性带来的性能可调控性而得到广泛的关注。本文总结了近三年来在体异质结有机太阳能电池应用方面PDI小分子受体的研究进展,重点关注了PDI分子结构对其性能的影响,希望为以后PDI类受体分子的设计思路起到一定的启发作用。

基于小分子噻吩单元的有机太阳能电池研究进展

噻吩及衍生物基团具有独特的光电性能,已广泛应用于有机太阳能电池的设计与合成中,并在有机光电领域发挥着重要的作用。本文综述了近几年来含有噻吩及其衍生物的有机小分子太阳能电池的研究进展。分别综述了含联噻吩、苯并二噻吩和二噻吩并噻咯单元的"给体-受体-给体"型有机供体小分子,并总结了其结构差异。从分子设计的角度出发,探讨分子骨架的共轭程度、链端基团、中心构筑单元数目等改变对材料的光学吸收、能级水平、迁移率等性能的影响,总结了设计高性能的小分子供体材料有效的途径。

一种三维四面体星型共轭小分子用于有机太阳能电池（英文）

合成了一种由四苯基硅烷为中心和氰基脂功能化三联噻吩为支链构成的新型三维四面体星型小分子SO.循环伏安曲线测得这种小分子拥有很低的HOMO能级(-5.3 eV)和较窄的能带(1.9 eV).吸收光谱,X射线散射和差示扫描量热法实验都显示这种化合物拥有很高的结晶度.制作和测试了基于SO分子的太阳能电池.光学显微镜实验证实相对低的光电转化效率主要是由于没有形成很好的相分离.

北大有机高分子太阳能电池材料和器件研究取得系列进展

2014年伊始，北京大学工学院占肖卫教授课题组在有机高分子太阳能电池材料和器件方向取得一系列重要研究进展。