基于交联型窄带隙D-A共聚物的高效平面-本体异质结聚合物太阳电池

通过溶液法将平面异质结与本体异质结相结合,构筑了平面-本体异质结集成结构聚合物太阳能电池。在光活性层与阳极缓冲层(PEDOT:PSS)之间插入了一层光交联D-A共轭聚合物(PBDTTT-Br25)给体材料。经紫外光照处理后,PBDTTTBr25层可以实现交联,交联后的聚合物薄膜具有良好的抗溶剂性。PBDTTT-Br25给体层的引入使器件构筑了一个平面-本体异质结集成结构,该结构增加了给体/受体之间的接触界面,为空穴传输到阳极提供了一条空间无障碍通道,从而可以降低载流子的复合几率。采用该集成结构的聚合物太阳电池在一个太阳光光照条件下光电转换效率可达到5.24%,比采用单纯本体异质结结构的聚合物太阳电池效率(3.17%)提高了65%。

氧族元素对D-A和D-π-A共聚物光吸收谱红移的第一性原理研究

D-A型共聚物作为有机聚合物太阳能电池的电子给体材料近年来引起广泛关注.本文以苯并二噻吩(BDT)为电子给体单元,苯并噻二唑(BT)为电子受体单元来模拟D-A共聚体;并用噻吩环作为π桥,构造出D-π-A(PBDT-DTBX,X=O,S,Se,Te)结构.采用第一性原理的密度泛函理论,系统地计算相应的电子结构和光吸收谱.比较不同氧族元素和噻吩π-键桥对聚合物光吸收谱的影响.研究结果表明:D-A共聚体中当X位元素以O,S,Se,Te替换时,其体系的最高占有分子轨道(HOMO)能级变化不大,最低未占有分子轨道(LUMO)能级逐渐靠近费米能级,带隙逐渐减小.在可见光区有两个较强的吸收峰,随着X位元素原子序数增大,位于4.0 eV左右的光吸收峰位基本不变,另一光吸收峰强度明显增大并发生红移.与D-A结构相比,D-π-A结构的带隙均有所减小,其中X为Te时带隙最小;光吸收峰强度随着氧族元素原子序数的增大也明显增大并发生红移.通过比较光吸收系数和相应态密度,结果表明,4.0 eV左右的光吸收峰主要是BDT单元的贡献,氧族元素的改变主要影响519.4—703.9 nm范围的光吸收.

基于芴衍生物的D-A化合物及其共聚物的研究进展

芴衍生物具有吸电子性,作为电子受体在D-A共聚体的研究中备受关注。在D-A共聚体中,π-电子供体和π-电子受体通过π键或σ键交替连接,其共平面的共轭结构有利于降低体系的能隙;以芴、芴酮、9-二氰基亚甲基芴衍生物为电子受体单元的推拉型(D-A型)化合物和共聚物,具有优异的光电性能、电子传输性能、较好的电子和空穴迁移率及在空气中极好的稳定性等。主要对基于芴、芴酮、9-二氰基亚甲基芴的D-A化合物及其D-A共聚物的最新研究进展做简要综述。

具有高短路电流特性的D-A共聚物给体材料的理论研究

针对目前本体异质结有机太阳能电池活性层使用的给-受体(D-A)共聚物,研究对D-A给体材料的选取是设计高效有机太阳能电池的关键问题。本文分别选取了10种D单元和A单元,采用第一性原理密度泛函方法,研究了D、A单元及其相应共聚物结构和能隙的变化。结果表明:噻吩环稠合时噻吩环的个数、噻吩环与苯环稠合时苯环的个数都可以有效地调制能隙的大小;同时结构中噻吩环上S原子的位置对带隙也有一定影响。在此基础上,选取噻吩并[3,4-b]噻吩D2、双噻吩锗D6和吡咯并吡咯二酮A4为单体的三种带隙值较小的聚合物,研究了三种高短路电流给体材料P_1(PDTG-PT)、P_2(PNTz4T)、P_3(DPPTT-T)的电子结构特性。通过分析其分子链构象、Bader电荷转移和形成能,表明它们是高短路电流有机太阳能电池D-A型给体材料的理想选择。本研究为设计高短路电流有机太阳能电池D-A型给体材料提供了有价值的指导。

基于苯并二噻吩单元的窄带系D—A共聚物太阳能电池材料的合成及器件测试

用Stille聚合法合成了基于4，8-二（2，3-二已基噻吩）苯并[1，2-b：4，5-b’]二噻吩（BDTT）和噻吩并[3，4-c]吡咯-4，6-二酮（TPD）单元的窄带系D-A共聚物PBDTT-LTPD-M，其主链内受体单元的密度增加，具有较低的HOMO能级（-5．50eV）。用于聚合物太阳能电池中，使电池的开路电压（Voc）达到0．87V，器件的短路电流（Jsc）为6．07mA／cm^2，填充因子（FF）50．22％，光电转换效率（PCE）为2．67％。

苯并[1,2-b:4,5-b']二噻吩和二噻吩邻苯二甲酰亚胺的平面型交替共聚物的合成及其光伏性能

通过Stille聚合反应合成了含有苯并[1,2-b:4,5-b']二噻吩和二噻吩邻苯二甲酰亚胺的D-A结构平面共聚物PBDTPhBT.该聚合物热稳定性和在常见有机溶剂中的溶解性良好、在380～580nm范围内有强吸收.分子模拟计算的结果表明,聚合物主链具有较好的平面型.PBDTPhBT的光学带隙为2.10eV、用电化学方法测量的HOMO能级为5.23eV.以聚合物PBDTPhBT为给体、PC70BM为受体(给受体重量比为1:1)、Ca/Al为负极制备了本体异质结聚合物太阳能电池.在AM1.5,100mWcm2光照条件下器件的开路电压和短路电流分别为0.79V和5.63mAcm2,能量转换效率达到了1.76%.

聚合物带隙及吸收光谱计算精度的研究

基于密度泛函理论的第一性原理是计算共轭聚合物带隙及吸收光谱的有效方法.首先,研究了分子结构模型中单胞内分子单元的个数对计算结果的影响,结果表明,有限体系的带隙值收敛于无限周期的带隙值;其次,针对不同类型密度泛函交换关联项的不同,研究了PBE、HSE06、B3LYP泛函对计算结果精度的影响,结果表明,采用PBE、HSE06、B3LYP泛函计算的聚合物的带隙值依次增加,B3LYP泛函计算的带隙值更接近实验值,说明B3LYP的交换关联项比较适合于描述聚合物分子的电子结构;最后,采用B3LYP泛函计算了6种聚合物的吸收光谱,吸收光谱的峰值位置和宽度与实验结果均一致.

一种高迁移率聚合物太阳能电池材料的合成及其器件表征

设计合成了一种中等带隙共轭聚合物,聚[N-(2-己基癸基)-2,2'-二噻吩-3,3'-二甲酰亚胺-交替共聚-5,5-(2,5-双(3-癸氧基噻吩)-2-噻吩基)-噻吩)](PBTI3T-O),其光谱吸收覆盖波长从400 nm到720 nm,具有较宽的吸收范围,同时易溶于氯苯溶剂,利于溶液加工。PBTI3T-O与[6,6]-苯基-C71-丁酸异甲酯(PC71BM)复合薄膜的空穴迁移率为5.90×10-3cm2/(V·s),该迁移率高于其它大部分聚合物电池给体材料。由于PBTI3T-O较高的空穴迁移率,基于PBTI3T-O/PC71BM的器件在活性层厚度为237 nm时,效率可以达到5.56%。即使活性层膜厚进一步增加到约300 nm时,器件的效率仍能够保持其最高器件效率的97%,可见其具有在大面积加工工艺中的应用潜力。

聚合物太阳电池光伏材料

聚合物太阳电池由共轭聚合物给体和可溶性富勒烯衍生物受体的共混膜夹在ITO透光电极和金属电极之间所组成,具有结构简单、成本低、重量轻和可制成柔性器件等突出优点,近年来受到广泛关注。聚合物太阳电池中的给体和受体光伏材料是决定器件性能的关键。本文综述了共轭聚合物给体和富勒烯受体光伏材料的最新研究进展,对共轭聚合物受体材料和给体-受体双缆型共轭聚合物光伏材料的研究进展也进行了简要介绍。并在共轭聚合物给体材料中对聚噻吩衍生物以及含有苯并噻二唑的窄带隙D-A共聚物进行了重点介绍。

聚合物太阳能电池高效共轭聚合物给体和富勒烯受体光伏材料

聚合物太阳能电池(PSC)由共轭聚合物给体和富勒烯衍生物受体的共混膜(活性层)夹在ITO透明导电玻璃正极和低功函数金属负极之间所组成,具有制备过程简单、成本低、重量轻、可制备成柔性器件等突出优点,近年来成为国内外研究前沿和热点。当前研究的焦点是提高器件的光电能量转换效率,而提高效率的关键是高效共轭聚合物给体和富勒烯衍生物受体光伏材料。本文将重点介绍化学所近年来在新型共轭聚合物给体和富勒烯衍生物受体光伏材料方面的研究进展,包括带共轭支链的宽吸收两维共轭聚合物、带吸电子基团取代基的具有较低HOMO能级的共轭聚合物、宽吸收和具有较低HOMO能级的给体-受体(D-A)共聚物给体光伏材料、以及茚双加成C60衍生物ICBA和茚双加成C70衍生物IC70BA受体光伏材料等。基于这些给体光伏材料制备的PSC最高能量转换效率达到7.59%,是聚合物光伏材料迄今文献报道最高效率之一。使用我们的新型受体ICBA使基于聚3-己基噻吩(P3HT)的PSC的能量转换效率超过了7%,是基于P3HT光伏器件能量转换效率文献报道最高值。

基于1,2,4-三氮唑衍生物的共轭聚合物的合成及其光伏性能

以缺电子的1,2,4-三氮唑衍生物作为拉电子结构单元(A),以富电子的噻吩或苯并二噻吩衍生物作为推电子结构单元(D),通过Stille偶联聚合的方法,合成了三种主链型D-A(推-拉电子结构)的交替共聚物PT-TZ,PB-TZ和PB-TTZT.不同富电子结构单元可使其聚合物表现出不同的光物理性能和光伏性能.嵌入较多的噻吩单元,可有效增大聚合物主链的共轭长度,拓宽其吸收光谱,因此,聚合物PB-TTZT的光伏性能明显优于另外两种聚合物.以三种聚合物分别作为给体材料,以PC61BM作为受体材料,制备了聚合物太阳能电池(PSCs),其中,基于PB-TTZT的PSCs器件在AM 1.5G模拟太阳光条件下的光电转换效率为1.18%.

有机太阳电池关键材料研究进展

有机太阳电池具有质量轻、柔性、印刷制备等优点,有巨大的应用潜力,从其诞生那一刻起便引起了学术界和工业界的广泛研究兴趣.历经25年的发展,有机太阳电池效率已突破18%,其快速进步得益于不断涌现的高性能新材料和器件制备技术,以及对电池活性层形貌、分子堆积和器件机理的深入理解.基于有机共轭结构的电子给体和电子受体材料是决定有机太阳电池性能的关键材料.本文将以给、受体材料的发展历程为主线,聚焦那些明星材料和里程碑工作,阐述高性能关键材料的分子结构演变和进化过程,最后展望其面临的挑战和未来发展方向.

共轭聚合物在多组分共混体系中的聚集结构研究进展

基于本体异质结的聚合物太阳电池性能与相分离结构特别是聚合物的聚集结构密切相关.本文综述了一些典型共轭聚合物聚集结构方面的研究进展,详细介绍了基于齐聚噻吩、二噻吩、苯并二噻吩及噻吩衍生物的D-A共聚物、二维共轭聚合物以及嵌段共聚物等体系的聚集结构特点,系统总结了一系列共轭聚合物在不同共混物、处理溶剂、退火温度、共混比例、分子量、侧链原子或基团等条件下相应的聚集结构变化规律.在众多共轭聚合物中,研究最多的是D-A共聚物,故作重点介绍,而二维共轭聚合物、嵌段共聚物作简要介绍.

氟原子对光伏聚合物性能的影响

以二(2-辛基十二烷氧基)苯并二噻吩(ODBDT)为供体单元,分别与受体单元二噻吩苯并噻二唑(DTBT)和二氟代二噻吩苯并噻二唑(DTffBT)共聚,合成了两种具有给-受体(D-A)结构的共轭聚合物PODBDT-DTBT和PODBDT-DTffBT。利用紫外-可见吸收光谱、循环伏安法研究了聚合物的光物理与电化学性能,并通过光伏性能测试研究了氟原子对聚合物太阳能电池的影响规律。结果表明,氟原子的引入使得聚合物的光学带隙变窄,溶解性变差;基于PODBDT-DTBT或PODBDT-DTffBT与PC71BM共混制备的本体异质结太阳能电池,光电转化效率分别为3.01%和2.00%。