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。

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%。

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。

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。

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。

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.

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。

有机硅在钙钛矿太阳能电池中的应用

目前钙钛矿太阳能电池(PSCs)的性能已经可以和晶硅太阳能电池相媲美,但是其器件稳定性较差,不利于产业化应用。介绍了造成钙钛矿纳米晶不稳定的因素以及提高对应太阳能电池稳定性的主要策略,调研了近几年有机硅在PSC中的研究现状,详细探讨了硅烷偶联剂、硅树脂以及其他有机硅分子对钙钛矿薄膜的性质(如微观形貌、缺陷态密度、载流子输运以及离子迁移等)与电池器件性能(如光电转化效率和稳定性等)的影响机制,最后,展望了自交联有机硅材料在高效、稳定PSC中的发展趋势,以期为加快推进PSC产业化提供借鉴。

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.

钙钛矿太阳能电池界面缺陷及其抑制方法

目前,绝大多数高效有机-无机卤化物钙钛矿(OIHP)太阳能电池都是由多晶钙钛矿薄膜构成,这些多晶薄膜表面或晶界往往含有大量的缺陷,将导致光生载流子发生非辐射复合,并诱导OIHP材料分解,从而使器件的光电转换效率(PCE)和稳定性降低。本综述分析了钙钛矿太阳能电池的缺陷类型及缺陷对钙钛矿太阳能电池(PSCs)性能的影响,详细介绍了通过钝化电极与传输层,或传输层与钙钛矿层间的界面缺陷以获得更高效率和高稳定性的钙钛矿太阳能电池方面的研究进展,展望了钝化分子的设计思路及钙钛矿光伏商业化应用所面临的挑战。