具有精确结构的苯并三氮唑类聚合物受体在全聚合物太阳电池中的应用

以苯并三氮唑(BTz)为稠合中心核单元,通过调控聚合位点设计合成了两个结构精确的聚合物受体PT1-γ和PT1-δ,并研究了聚合位点对聚合物受体的光学性能、电化学性能、载流子迁移率以及全聚合物太阳电池(all-PSCs)性能的影响.研究发现,与PT1-δ相比,PT1-γ具有更窄的光学带隙和更高的电子迁移率.选用PBDB-T作为给体,基于PBDB-T∶PT1-γ的全聚合物太阳电池获得了11.92%的能量转换效率(PCE),高于PBDB-T∶PT1-δ体系的9.68%;另外,其开路电压(VOC)为0.89 V,短路电流密度(JSC)为21.25 mA/cm2,填充因子(FF)为0.63.研究结果表明,聚合位点对基于苯并三氮唑的聚合物受体的光电性能具有显著影响,因而调控单体的聚合位点是开发高性能聚合物受体的有效设计策略.

全聚合物太阳能电池中聚合物受体的研究进展

简述了全聚合物太阳能电池的器件结构和工作原理。根据聚合物受体的结构组成模块,分别从小分子受体构建单元(包括给电子中心核与吸电子末端)和桥连单元的角度,综述了近几年聚合物受体材料的结构变化与效率发展,总结了每种结构优化手段对材料性质的影响。最后提出了聚合物受体目前仍存在的问题并展望了未来的发展趋势。

共轭聚合物受体光伏材料和全聚合物太阳电池

全聚合物太阳电池(all-PSCs)由p-型共轭聚合物给体和n-型共轭聚合物受体共混活性层夹在ITO透明电极和金属顶电极之间所构成,除具有一般有机太阳电池器件结构简单、质量轻、可以制备成柔性和半透明器件等优点外,还具有形貌和光照稳定性好及抗弯折性能高等突出特点,最近成为有机太阳电池领域的研究热点。给体和受体光伏材料的吸收互补和能级匹配是获得高效all-PSC的关键。本文将介绍n-型共轭聚合物受体光伏材料的发展历史,重点介绍最近发展的窄带隙小分子受体高分子化的聚合物受体光伏材料,基于这类聚合物受体光伏材料的全聚合物太阳电池的能量转换效率已经超过了15%。最后对共轭聚合物受体光伏材料和全聚合物太阳电池下一步的研究方向和研究重点进行了展望。

苯并三氮唑基窄带隙聚合物受体用于高效全聚合物太阳电池

合理设计具有强和宽吸收的聚合物受体有助于提高光伏性能。本文以七环苯并三氮唑(Y9-C16)为构筑单元,噻吩为连接单元合成一个新型聚合物受体材料PY9-T。该受体材料的薄膜具有较低的带隙(1.37 eV)和较高的消光系数(1.44×10^(5) cm^(−1))。当PY9-T与宽带隙聚合物给体PBDB-T共混时,制备全聚合物太阳电池(APSC)实现10.45%的高能量转换效率,器件具有0.881 V的高开路电压和19.82 mA/cm^(2)的高短路电流密度。此外,器件在100°C退火后,共混膜形貌仅发生微小的变化,表明APSC具有好的热稳定性,Y9-C16为开发高效稳定的聚合物受体提供了新的构筑单元。

共轭聚合物作为有机光电池电子受体的特性研究

以聚3-已基噻吩(P3HT)和聚对苯亚乙烯衍生物(MDMO-PPV)作为电子给体,聚[2,3-双-(3-辛烷氧基苯基)喹喔啉-5,8-二基-交替-噻吩-2,5-二基](TQ1)作为电子受体,制备并研究了聚合物给体/聚合物受体有机光伏电池性能。当给体P3HT、受体TQ1共混质量比为1∶1时,器件性能最佳。热处理会改变薄膜形貌,导致激子扩散到达界面的距离增加和激子分离界面数量下降,进而引起器件性能下降。溶剂效应对器件性能影响不明显。研究了相似能带结构给体聚合物对MDMD-PPV光电池性能的影响,发现结晶程度较低的给体材料会进一步导致器件性能降低。

碳量子点修饰给受体共轭聚合物/ZnO复合物的制备及在紫外光电探测器中的应用

以碳量子点(CQDs)作为光敏剂修饰氧化锌纳米阵列(ZnO-NRs)、以3,4-乙撑二氧噻吩封端、吡啶为中间单元的三联体为单体(3,4-乙撑二氧噻吩为给体单元、吡啶为受体单元),通过电化学聚合法制备了复合材料(ZnO-NRs/CQDs/poly(BPE)),并以紫外-可见吸收光谱、拉曼光谱等对该复合材料的结构与形貌进行了表征。将ZnO-NRs/CQDs/poly(BPE)与ZnO-NRs面对面组装成ZnO-NRs/CQDs/poly(BPE)紫外光电探测器,研究了偏置电压对响应性能的影响。结果表明,聚合物沿着氧化锌纳米棒径向生长并实现均匀包覆,CQDs的引入增加了氧化锌与聚合物之间的相互作用。该光电探测器的响应性能随偏置电压的增加而增加,在5 V偏置电压下,其响应度为258 A/W,探测率为4.2×10^(12)Jones,外量子效率为87817%。

新型基于烷氧噻吩炔的共轭聚合物受体的设计、合成及光伏性能

设计合成了两个新型基于烷氧噻吩炔单元的共轭聚合物受体(PTO和NTO)。PTO和NTO的给体单元为烷氧基取代的噻吩,受体单元分别为苝二酰亚胺(PDI)和萘二酰亚胺(NDI),炔键作为连接桥键。两个共轭聚合物受体都具有较宽的吸收光谱和较浅的最低未占有轨道(LUMO)能级(>-3.80eV)。我们采用中等带隙的PBDB-T作为给体材料,PTO、NTO分别作为电子受体材料,制备了全聚合物太阳电池器件。基于NTO的电池器件可以获得3.7%的能量转化效率,高于基于PTO的电池器件效率(2.8%)。这主要是因为,基于NTO的电池器件具有更高的开路电压(V_(oc))和载流子迁移率。

氧敏感性供体-受体共轭聚合物薄膜晶体管

研究了基于供体-受体共轭聚合物双(2-氧代二氢吲哚-3-亚基)-苯并二呋喃-二酮和联噻吩(PBIBDF-BT)薄膜晶体管的氧传感特性。在不同的氧气浓度下,器件展示了空穴和电子载流子的传感特性,如源漏电流、迁移率和亚阈值摆幅随着氧从半导体层内吸附/解吸附的过程中被调节。实验结果表明:随着真空度从0.7 Pa上升到0.08Pa,即氧气的体积分数从~5.3×10^(-6)降到~6×10^(-7),对于P型传输的迁移率、源漏电流(开态)和亚阈值摆幅分别改变了-52.7%、-51.3%和48%,而对于N型传输分别改变了42.3%、59.5%和-39%。并且腔室中氧气的浓度从~8×10^(-7)降到~6×10^(-7),变化了~2×10^(-7),相应的P型和N型源漏电流分别变化了-45.9%和31.1%。基于PBIBDF-BT聚合物薄膜晶体管能够实现对氧气的双极性检测和低的氧检测线。

一类供体-受体双嵌段丙烯酸酯聚合物的合成及性能

利用原子转移自由基聚合(ATRP)法合成了一种新的供体-受体双嵌段聚合物聚对(二苯胺基)苯乙烯-聚(2-(2-蒽醌甲酰氧基)甲基丙烯酸乙酯(P1-b-P2)。供体段是富电子的三苯胺段,受体段是缺电子的蒽醌段。该双嵌段聚合物的单体结构通过核磁(NMR)加以表征,聚合物通过凝胶渗透色谱(GPC)、差示扫描量热法(DSC)、紫外光谱(UV-vis)、荧光光谱(PL)和循环伏安(CV)法加以表征。GPC和紫外吸收测试表明聚合物数均分子量约为7600,最大吸收波长为305 nm,CV测试计算发现受体段比供体段长,与GPC测试结果一致,表现出更好的受体性能。

基于非平面稠环苝酰亚胺的全聚合物太阳能电池

将一种具有扭曲结构的稠环苝酰亚胺单元(FPDI-Th)和二氟苯并噻二唑(DFBT)作为单体,并在两者之间插入带有不同烷基侧链的噻吩作为桥接单元,合成了两种新的聚合物受体PPDIBT-Th与PPDIBT-Th-C6,并将其用于全聚合物太阳能电池器件。研究了烷基侧链对聚合物性质和有机太阳能电池(OSCs)器件性能的影响。结果表明:基于这两种聚合物的OSCs器件都展示了优异的光伏性能,烷基侧链的引入不仅会影响分子自身的堆积,还会影响与其共混的聚合物的固态堆积。引入适量的烷基侧链有利于活性层的整体形貌达到较好的平衡状态,提升光伏器件的性能。虽然PPDIBT-Th-C6自身分子间堆积变弱,但是PPDIBT-Th-C6和聚合物给体共混成膜之后,有效保证了给体的固态堆积,最终获得了更大的光电流(12.15 mA/cm^2)与光电转换效率(4.95%)。

基于三组分共轭聚合物的高灵敏度有机晶体管二氧化氮传感器

研究了基于联噻吩-氮杂异靛蓝-双(2-氧代二氢-7-氮杂吲哚-3-亚基)苯并二呋喃二酮的三组分给体-受体共轭聚合物(BTNIDNBIBDF-50)薄膜对二氧化氮气体传感特性。通过控制半导体浓度调控半导体薄膜表面形貌,研究其对二氧化氮气体灵敏度的影响。聚合物半导体BTNIDNBIBDF-50的浓度为2 mg/mL时对NO_(2)气体表现出最优的传感性能,对体积分数为10×10^(-6) NO_(2)气体的灵敏度为121.44%。实验结果表明:三组分共轭聚合物BTNIDNBIBDF-50呈现双极型半导体特性,降低聚合物半导体浓度会使薄膜表面出现明显的孔洞结构,提高传感器对NO_(2)气体的灵敏度。但过多的孔洞又会使气体解吸附速率的变化大于吸附速率变化,导致传感器灵敏度降低。

无规共聚型聚小分子受体聚合物的发展和应用

有机太阳能电池(OSCs)对实现低碳经济的发展具有重要意义。因其具有质轻、制备柔性、便携式设备等独特优势,具有巨大的商业开发价值。全聚合物太阳能电池(All-PSCs)凭借良好的光热稳定性及机械性能,被认为更有潜力应用于未来的柔性、可穿戴设备中。然而,目前的能量转换效率(PCE)相比基于小分子受体材料的光伏器件还相对较低,其中一个最重要的原因是缺乏高效的聚合物受体。本文首先将对发展节点以及目前应用高效率All-PSCs中的受体聚合物的研究进展进行简要介绍,随后将重点对其中通过无规共聚策略合成的聚小分子受体聚合物的优势与发展进行综述并对未来聚小分子受体聚合物的发展进行展望。

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。

分别含有质子给体和质子受体的丙烯酸酯共聚物在溶液中的特殊相互作用研究

用粘度法和光散射法研究了分别具有质子给体 (Protondonor)和质子受体 (Protonacceptor)官能团的丙烯酸酯共聚物在溶液中的相互作用 .从粘度增长因子和聚合物在溶液中理想增比粘度的关系基础上提出了一个新的相互作用参数ka,研究了质子给体聚合物和质子受体聚合物在甲苯中的特殊相互作用 ,讨论了丙烯酸酯含量和酯烷基长度对组分间相互作用的影响 .结果表明 ,组分间的特殊相互作用随着丙烯酸长碳链酯含量和酯烷基长度的增加而增强 .光散射的结果表明ka

激光辐射对供体-受体型聚合物忆阻器性能的影响

利用异靛蓝、丙烯二氧噻吩、噻吩单元组成的供体-受体类型半导体聚合物IPDT构建了有机电子器件Al/IPDT/ITO,该器件具有明显的忆阻特性,开/关电压为8 V/-7.5 V,高低电阻比达到了10^2以上。研究了不同波长激光的照射对器件忆阻性能的影响,结果表明:波长为632 nm、功率为3 mW的激光对忆阻性能的影响显著;照射60 s后,器件电流的走向发生了反转,开/关电压降低到-2.2 V/1.3 V,高低电阻比提高到10^4,电流降低了一个量级,且电流-电压曲线的涨落减小,有效降低了器件的功耗;稳定性循环测试次数由未经激光照射时的2000提高到3500,提高了数据读取的准确性和稳定性。

基于4,7-二噻吩苯并噻二唑和异靛单元的受体-受体共轭聚合物的合成与光伏性质

利用微波协助的Stille缩合聚合反应方法合成了基于双噻吩苯并噻二唑和异靛单元的受体-受体聚合物HFTBT-DA865,并对其热稳定性、光物理性能、电化学性质和本体异质结太阳能电池性能进行了研究.该聚合物易溶于邻二氯苯和邻二甲苯等溶剂,具有优异的溶液加工性能.5%热分解温度为389℃,玻璃化转变温度为168℃,说明其具有较好的热稳定性能.对旋涂速度和温度进行优化,所得太阳能电池器件的光电转换效率为2.28%,开路电压为0.83 V,短路电流为-5.70 mA/cm^2,填充因子为48.9%.电化学性能和密度泛函理论估算结果表明,聚合物与受体材料PC71BM相近的最低未占分子轨道(LUMO)值及其平面性可能是影响光伏性质的重要因素.通过调控共聚单体或优化受体材料,器件性能可进一步提高.对受体-受体(A-A)类聚合物材料太阳能电池性能的研究表明,此类材料是一类潜在的聚合物太阳能电池材料.

基于非卤素溶剂的高性能全聚合物太阳能电池

以聚合物PTB7-Th为给体、聚合物PDI-V为受体和四氢呋喃为溶剂,构筑了全聚合物太阳能电池.PTB7-Th与PDI-V光谱互补,有效地拓宽了活性层在可见光区的吸收范围,这有利于提高光电流.在器件优化过程中,发现热退火的方法可以有效地提高器件的光伏性能.尽管热退火处理对器件的开路电压影响不大,但是可以一定程度上提高器件的短路电流和填充因子,从而将电池的效率从7.1%提高到8.1%.8.1%的效率也是目前采用非卤素溶剂加工的基于苝酰亚胺类聚合物受体电池效率的最高值.该实验结果表明,四氢呋喃作为一种低毒性的有机非卤素溶剂,可以用来制备高性能有机光伏器件.

全聚合物太阳电池材料与器件

全聚合物太阳电池的光活性层中的给受体材料均由聚合物构成,其具有优异的形貌稳定性及机械稳定性等突出优点,在实现大面积、柔性有机太阳电池的制备中具有较大潜力,引起了越来越多研究者的兴趣.随着各种新型聚合物给体/受体材料相继被开发出来及器件结构的不断发展,全聚合物太阳电池异军突起,器件效率目前已经突破18%.然而,相较于非富勒烯小分子受体太阳电池,全聚合物太阳电池面临效率仍需进一步提高、聚合物给/受体性能的批次差异等问题,如何开发高性能聚合物给/受体材料及制备高效器件仍面临一定的挑战.本综述着眼于全聚合物太阳电池给/受体材料的开发、器件结构调控、界面工程等方面,系统总结了近年来该领域内的代表成果,并对未来高效全聚合物太阳电池材料、器件的发展做出了展望.

基于异靛青的聚合物场效应晶体管材料研究进展

20世纪80年代以来,有机电子学领域的研究取得了很大进展.有机半导体材料凭借其成本低、质量轻、柔性好、易修饰、可大面积溶液加工等特点吸引了学术界以及工业界的极大关注.其中,第三代有机共轭聚合物,给-受体(Donor-Acceptor,简称D-A)共轭聚合物材料的发展尤为迅速.最近,以异靛青(Isoindigo,IID)类结构作为受体片段的D-A共轭聚合物被发现具有优异的性能,特别是在聚合物场效应晶体管器件中获得了最高3.62 cm^2·V^(-1)·s^(-1)的空穴迁移率,其衍生物获得14.4 cm^2·V^(-1)·s^(-1)的空穴迁移率,具有良好的应用前景.综述了近年来国内外关于异靛青结构在聚合物场效应晶体管材料中的应用,对其分子结构设计、器件制备以及构效关系做了详细介绍,希望为今后异靛青类化合物的应用拓展提供指导思路.

具有叠层超薄膜结构的高性能有机晶体管氨气传感器

研究了基于给-受体共轭聚合物双(2-氧代二氢吲哚-3-亚基)-苯并二呋喃-二酮和联噻吩(PBIBDF-BT)超薄膜叠层晶体管的电学性能及氨气传感特性。使用相分离方法以及转移-刻蚀步骤制备了不同堆叠层数的PBIBDF-BT超薄膜。系统地研究了PBIBDF-BT超薄膜堆叠层数与器件性能的关系。实验结果表明,单层PBIBDF-BT超薄膜器件对氨气具有良好的传感性能,电学性能较差。超薄膜叠层能够有效提高传感器的电学性能,随着超薄膜叠层数量的增加,器件迁移率不断上升;超薄膜层数增加为3层及更多时迁移率上升趋势变缓,迁移率最大值为0.58 cm^(2)·V^(-1)·s^(-1)。超薄膜叠层器件氨气传感性能在层数为2层后呈现下降趋势。通过PBIBDF-BT超薄膜叠层方法,制备出在1.0×10^(-5)氨气环境下,迁移率为0.23 cm^(2)·V^(-1)·s^(-1)、源漏电流变化百分比为90.7%、性能良好的OFET氨气传感器。