萘酰亚胺-卟啉星型电子受体分子的构筑及其在非富勒烯太阳能电池中的应用

非富勒烯太阳能电池目前已经成为有机太阳能电池的研究热点,大量的共轭电子受体分子被开发,并成功应用到高性能光伏器件中。共轭分子作为非富勒烯电子受体,需要综合考虑吸收、能级、电子传输以及结晶性等,其中宽吸收光谱可以提高对太阳光谱的利用,是分子设计中重要因素之一。本工作中,我们设计一种新型电子受体分子,以卟啉为核、萘酰亚胺为端基以及炔为桥连基团。这种新型分子具有近红外的吸收光谱以及合适的能级。将一种具有吸收互补的共轭聚合物为电子给体,星型分子为电子受体应用到电池的活性层中,我们获得了1.8%的能量转换效率,电池的光谱响应为300–900 nm。实验结果证明了这种以卟啉为核的分子设计在实现近红外吸收的电子受体方面具有重要应用前景。

DLTA-ZnO为阴极界面层的高效非富勒烯有机太阳能电池

为了提高非富勒烯有机太阳能电池(NF-OSCs)的效率和稳定性,提出了一种新的策略对阴极界面材料ZnO改性。通过引入小分子DL-硫辛酸(DLTA)修饰溶胶凝胶ZnO,得到一种新的阴极界面材料DLTA-ZnO。与原始ZnO相比,DLTA-ZnO的功函数降低,接近受体材料的LUMO能级,实现了阴极界面层与受体材料之间良好的欧姆接触,可以促进电子的传输和收集。此外,由于DLTA-ZnO中的羧基可以与ZnO配位,使DLTA-ZnO中的氧缺陷被钝化,有利于抑制载流子复合,获得较高的J;。DLTA-ZnO表现出粗糙的表面,增加了界面与活性层的接触面积,促进电子向界面的有效传输。同时DLTA-ZnO使疏水的活性层薄膜更加疏水,增强了界面的稳定性。将DLTA-ZnO应用到基于PM6:Y6的倒置结构的NF-OSCs中,并将其作为阴极界面层,制备了能量转换效率超过16.62%的高性能器件,并表现出良好的稳定性。实验结果表明,小分子DLTA修饰ZnO可以有效调控阴极界面,是一种用于倒置结构OSCs的简单、高效和稳定的阴极界面材料。

非富勒烯有机太阳能电池研究进展:从器件物理到磁场效应

非富勒烯受体(NFA)材料是现阶段非常受欢迎的有机光电材料之一。基于非富勒烯受体的有机体异质结(BHJ)太阳能电池发展迅速,其单结能量转换效率(PCE)现已达到18%。有机半导体中单线态与三线态在磁场作用下的相互转换会影响其电子-空穴的解离与复合,从而对光伏性能有一定的影响。此外,三线态激子寿命和扩散距离较长,三线态-电荷反应的几率较大,增加光电流,使得三线态材料对于光伏性能的提高具有一定的作用。因此,本文主要从以下几个方面对非富勒烯有机太阳能电池进行叙述,首先讨论了有机太阳能电池中电荷分离、重组及能量损失对开路电压的影响;其次总结了有机太阳能电池磁场下自旋依赖的光物理过程及三线态材料在有机太阳能电池中的应用,了解二者对提高光伏性能的影响;最后对有机光伏性能的进一步提高以及有机半导体磁场下的自旋问题进行了展望。

小分子优先结晶构筑聚合物/非富勒烯共混体系互穿网络结构

非富勒烯小分子受体(SMAs)有序聚集决定聚合物/非富勒烯共混体系光伏电池的双分子复合几率。然而,由于非对称相分离聚合物趋于优先形成网络,抑制小分子受体分子结晶。在聚[(2,6-(4,8-二(5-(2-乙基己基噻吩-2-基)苯并[1,2-b:4,5-b']二噻吩))-alt-(5,5-(1',3'-二-2-噻吩基-5',7'-二(2-乙基己基)苯并[1',2'-c:4',5'-c']二噻吩-4,8-二酮))](PBDB-T)/9-二(2-亚甲基(3-(1,1-二氰基亚甲基)-6,7-二氟-茚酮))-5,5,11,11-四(4-己基苯基)-二噻吩并[2,3-d:2',3'-d']-s-引达省[1,2-b:5,6-b']二噻吩(IT-4F)共混体系,四氢呋喃蒸汽处理可提高IT-4F结晶性,150℃热退火可提高PBDB-T的结晶性。因此,依次利用蒸汽退火和热退火处理薄膜,诱导小分子先结晶、聚合物后结晶,从而降低PBDB-T对小分子扩散的限制,构建高结晶互穿网络结构。形貌优化后降低了双分子复合,器件光电转换效率从5. 95%提高至7. 18%。

叠层聚合物太阳电池取得接近15%的光伏效率

聚合物太阳能电池(polymer solar cell,简称PSC)是重要的光电转换器件.近年来,基于非富勒烯型电子受体的聚合物太阳能电池(NF-PSC)发展迅速.迄今为止,单结NF-PSC的光伏效率已经达到13%以上,超过了传统的富勒烯型聚合物太阳能电池.相比于单结NF-PSC,叠层NF-PSC有助于克服外量子效率受限和热损耗偏高的问题.然而,叠层NF-PSC的构筑,对于材料的设计要求更高,器件制备的难度也更大,因而发展相对缓慢.最近,侯剑辉等对叠层NF-PSC中的前、后子电池之间的光谱匹配性进行了优化调制,选用窄带隙的PTB7-Th:IEICO-4F作为后电池,宽带隙的J52-2F:IT-M作为前电池,来构建叠层NF-PSC,将光伏效率进一步提升到了14.9%,目前为该领域的最高值.本文将简要介绍NF-PSC的发展概况,评述这一突出的研究成果,总结中国学术界在NF-PSC领域做出的卓越贡献,并展望该领域的广阔前景.

含靛红并苊醌二甲酰亚胺端基的A-D-A型小分子受体材料的合成及其光电性质研究

以靛红/氮杂靛红并苊醌二甲酰亚胺为受体端基,以引达省并噻吩衍生物为电子给体,设计并合成了两个结构新颖的A-D-A型小分子电子传输材料(A1和A2),结合密度泛函理论计算对比研究了吡啶氮原子的引入对A1和A2的分子结构、吸收光谱以及能级结构的影响.理论计算和吸收光谱研究发现:相比A1,吡啶氮的引入不仅可以提高A2的骨架平面性,而且还可以使其分子内电荷转移吸收峰发生27 nm的红移.电化学和理论计算研究表明,吡啶氮原子的引入增强了A2的电子亲和力,因而有效地降低了A2的最高已占分子轨道(HOMO)和最低空分子轨道(LUMO)能级.以A1和A2为电子受体材料,以商业购买的PBDB-T为电子给体材料,构造了含PBDB-T:A1或PBDB-T:A2(质量比1∶1)共混薄膜的非富勒烯太阳能电池器件,其最高能量转换效率分别获为5.19%和6.19%.