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。

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。

新型三元聚合物给体材料的合成及在有机太阳能电池中的应用

以吡咯并[3,4-c]吡咯二酮(DPP)为A单元,苯并[1,2-b∶4,5-b′]二噻吩(BDT)和萘为D单元,合成了一种新型2D/A型三元共轭聚合物太阳能电池给体材料(PDPP-BDT-NT),通过核磁共振氢谱(1 H NMR)对其结构进行了表征,通过热重分析、紫外-可见吸收光谱(UV-Vis)、循环伏安法对其热学性质、光物理性能及能级结构进行了研究。PDPP-BDT-NT具有较好的热稳定性,热分解的温度为401℃,有较宽的吸收光谱,可覆盖300~900nm,最高占据轨道(HOMO)能级为-5.35eV。以聚合物PDPP-BDT-NT为给体材料,PC60BM为受体材料,制备了一系列有机聚合物太阳能电池,在大气质量(AM)为1.5G,功率为100mW·cm-2模拟的太阳光照射下,有机聚合物太阳能电池的光电转化效率(PCE)可达2.09%。甲醇处理后,有机聚合物太阳能电池的PCE可达2.34%。

有机聚合物太阳能电池研究新进展

有机聚合物太阳能电池具有环保、柔性、可大面积生产和成本效益高等特点,被认为是未来的能源来源。简要介绍了有机太阳能电池的原理及基本结构,并对有机太阳能电池的有机聚合物材料部分进行了详细的介绍。

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%.

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.

有机聚合物太阳能电池给体材料的研究进展

近年来,有机太阳能电池受到研究人员的广泛关注,并取得了飞速发展。其中,新型聚合物太阳能电池材料的研发取得了突破性进展,促使相应的光伏器件的能量转化效率显著提高。本文主要对用于有机聚合物太阳能电池的聚合物给体材料进行了详细的综述和分析,并对其发展前景作了展望。

聚合物太阳能电池材料的研究进展

有机光伏技术为太阳能的有效利用提供了一条重要途径。有机太阳能电池因制造成本低廉、材料质量轻、加工性能好、易于携带等优势而备受关注。提高有机太阳能电池的光电转换效率是目前乃至未来的研究重点。设计和合成适合的窄带隙的共轭聚合物是提高有机太阳能电池光电转化效率的核心。综述了近年来基于窄带隙的共轭聚合物的太阳能电池材料的设计、制备和器件性能研究进展,探讨了目前存在的亟待解决的关键基础问题和未来发展方向。

聚合物阴极界面修饰材料在有机太阳能电池中的最新研究进展

有机太阳能电池由于具有制作成本低廉、质轻、制备工艺简单、易于制备大面积的柔性器件等明显优势,引起了科学工作者们的极大关注。研究结构新颖、性能优越的阴极界面修饰材料成为太阳能电池研究的热点。介绍了有机太阳能电池的基本结构,综述了聚合物阴极界面修饰材料的设计策略和研究新进展,对该类型材料的发展趋势和研究方向进行了展望。

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.

基于一种新型聚噻吩衍生物为给体的非富勒烯聚合物太阳能电池（英文）

在各种共轭聚合物给体材料中,以聚3-己基噻吩为代表的聚噻吩衍生物因其结构简单、易制备以及良好的空穴传输性能,在富勒烯衍生物为受体材料的聚合物太阳能电池体系中一直是研究重点之一。但是在近年来发展迅速的稠环小分子非富勒烯体系中的相关研究较少。在本工作中,我们通过在噻吩侧链引入烷硫基和氟取代基,设计合成了一种新型的聚噻吩衍生物给体PBSBT-2F;并对其吸收光谱、分子能级、传输性能以及光伏性能进行研究。基于PBSBT-2F:ITIC的聚合物太阳能电池取得6.7%的能量转换效率,其中开路电压为0.75 V,短路电流为13.5 mA·cm^(-2),填充因子为66.6%。结果表明:PBSBT-2F在非富勒烯体系中有很大的应用潜力。

非共轭聚合物在有机太阳能电池中的自组装效应

为简化工艺流程并提高器件效率,利用聚乙烯吡咯烷酮(PVP)的自组装效应,制备了非富勒烯正置有机太阳能电池(organic solar cells,OSCs)的阴极界面层。相比传统的体异质结,通过顺序沉积法制备的准平面异质结活性层结构能更好地发挥PVP的自组装效应。通过接触角、原子力显微镜等表征PVP的自组装迁移方向及过程,并从器件的光强依赖关系分析了PVP影响器件效率的机理。结果表明:在基于准平面异质结构并以PM6:Y6为活性层的有机光伏器件中,引入PVP形成的自组装阴极界面层可使器件的光电转换效率高达11.32%,相比于参考器件其效率提高了25.5%。结果说明对于具有低沸点溶剂的有机太阳能电池,通过准平面异质结活性层结构和非共轭聚合物自组装电子传输层的结合,将获得简单且效率更高的制备工艺。

有机聚合物太阳能电池给体材料的研究进展

有机聚合物太阳能电池对于未来太阳能的大规模应用,降低光伏发电成本都有极其重要的意义。电池的转换效率则是制约其应用的关键因素,作为电池核心的活性层对能量转换效率影响最大,而该活性层中给体材料的发展又对转换效率的提高起着至关重要的作用。通过综述聚苯撑乙烯(PPV)类、低聚噻吩类、三苯胺(TPA)类、苯并二噻吩(BDT)类和吡咯并吡咯二酮(DPP)类等5大类主流给体材料的研究进展,梳理了给体材料的发展趋势。

Au纳米阳极阻挡层对聚合物太阳能电池性能的影响

自Tang研制出光电转换效率为1%的有机太阳能电池后,近20年来,有机太阳能电池取得了可喜的进展,已经实现7.4%的光电转换效率.但是与无机太阳能电池相比,其转换效率较低,离实用化还有一定的距离,因此提高聚合物太阳能电池的光电转换效率是目前此类电池研究的一个重点.决定太阳能电池光电转换效率的主要参数有短路电流、开路电压和填充因子,而影响这几个参数的因素主要有：材料的光谱响应特性、材料的能级特性、材料的迁移率等,

非晶态聚合物阴极界面修饰材料在有机太阳能电池中的应用

设计合成一种带有三级胺片段的非晶态聚合物阴极界面修饰材料PStN。使用PBDT-BT作为给体,PC61BM作为受体制备有机太阳能电池,器件的开路电压和填充因子显著提高,能量转化效率从4.7%提高到了6.4%。

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%。

聚合物太阳能电池等效电路模型研究

文中论述了有机聚合物太阳能电池的应用,在分析聚合物太阳能电池机理的基础上,建立了有机太阳能电池的等效电路模型,并简单探讨了该领域进一步研究的方向和前景。

活性层厚度对体异质结聚合物太阳能电池性能的影响

制备了MEH-PPV(poly[2-methoxy-5-(2′-ethylhexyloxy)-1,4-phenylenevinylene])和PCBM(1-(3-mehyloxycarbonyl)propy1-phenyl[6,6]C61)共混体系的聚合物太阳能电池。通过改变MEH-PPV∶PCBM(质量比为1∶4)混合溶液的浓度及旋涂时的转速来改变活性层的厚度,研究了器件性能随活性层厚度的变化。当旋涂速率小于4 000 r.min-1时随着厚度的减小,开路电压没有明显的变化,基本在0.8 V左右,但短路电流呈现单调上升的趋势,填充因子略有下降。当旋涂速率大于5 000 r.min-1时,开路电压和短路电流都开始下降。其中,开路电压从5 000 r.min-1时的0.78 V下降到8 000 r.min-1时的0.67 V,短路电流更是从5 000 r.min-1时的3.96 mA.cm-2下降到8 000 r.min-1时的1.76 mA.cm-2。短路电流受光吸收和载流子传输两方面的共同影响,而活性层厚度的变化使得这两方面的影响产生相悖的效果。活性层越厚,光生激子数越多,但同时内建电场变弱,而且激子解离后得到的载流子传输到相应电极的距离越长,载流子被电极收集的概率减小。开路电压的降低则源于激子在MEH-PPV和PCBM与相应电极界面处解离比重的增加。

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。

DNA-CTMA:PSS新型缓冲层作为聚合物太阳能电池阳极缓冲层的研究

在(DNA)–cetyltrimethyl ammonium(CTMA)中,掺杂poly(styrene–sulfonate)(PSS)制备成DNA–CTMA:PSS,用来代替PEDOT:PSS,作为一种新型的bio–organic阳极缓冲层材料,应用在全溶液法制备的聚合物有机太阳能电池中,并对其电池特性进行了研究。V oc,J sc,FF,和PCE,是在100 mW/cm 2(AM 1.5)光照下测量。与常用的PEDOT:PSS空穴传导材料相比,DNA–CTMA:PSS这种bio–organic材料作为阳极缓冲层制备的器件J sc提高了9.20%,PCE提高了0.64%。PCE的增大主要来源于Jsc的增大。EQE在420 nm到570 nm区间范围有明显提高。电池光透率在620 nm到800 nm区间也同样提高,主要由于DNA的双螺旋结构衍生其独特光子和光学性能。除了具有相近的电学性能以外,作为生物可降解和可再生材料,DNA–CTMA:PSS是一种很有前途的替代PEDOT:PSS的聚合物太阳能电池阳极缓冲层材料。