非富勒烯有机太阳能电池能级排布研究
非富勒烯有机太阳能电池能级排布研究
太阳能电池是一种可以吸收太阳光转化成电能的功能器件,因而受到广泛的关注及研究,在传统能源储量日益减少的背景下,太阳能电池有望在将来可以有效的缓解能源危机。近十几年来,有机太阳能电池因其低成本,柔性,可卷对卷大面积生产以及材料容易合成的优点一直受到广大科研工作者的青睐。
尤其是近几年,一种小分子受体,俗称非富勒烯受体,搭配共轭聚合物给体构成的太阳能电池,器件效率提升地十分迅速,目前单节太阳能电池的效率已经达到13.1%,比富勒烯受体搭配聚合物给体的最好的效率值还要高。并且,由于非富勒烯受体的分子能级可以调整,未来有望继续刷新器件的效率值。
界面处能级排布对器件性能起着至关重要的作用,因为有很多研究都表明,给体的最高占据分子轨道（HOMO）和受体的最低未占据分子轨道（LUMO）之间的差值(Egap)决定了开路电压(Voc)的上限值。但是,我们必须意识到,传统的能级排布忽略了界面能的存在,而界面能的存在往往会对界面处能级排布产生影响,所以,准确地表征界面处的能级排布对于理解器件工作中的物理过程是必不可缺的。
在本论文的研究中,我们选取了几种常见的活性层材料,包括常见的三种聚合物给体:PBDB-T,PTB7,P3HT。并且选择了非富勒烯受体ITIC与传统的富勒烯受体PCBM进行对比,搭配这三种聚合物制备了平面型器件,并且制备了体异质结器件对比其开路电压。
由于体异质结太阳能电池中无序的能量会导致开路电压(Voc)的减小,所以,我们选取平面型器件的Voc值作为参考,用以研究开路电压与能级排布之间的联系。对于这几在种活性层材料,我们首先应该掌握它
们分立的能级排布,结合紫外光电子能谱（UPS）和紫外光吸收谱法我们可以实现这一目标。
接着我们采用一种正交溶剂的方法制备出给/受体的界面,分别将给体材料和受体材料溶于邻二氯苯和二氯甲烷中,由于相似相溶原理,邻二氯苯和二氯甲烷不会相互溶解,所以,通过旋涂的上层界面不会破坏下层界面的形貌,进而可以得到良好的平面型界面。借助扫描开尔文探针显微镜（SKPM）得到活性层材料接触后界面处的能级排布,由此得到准确的能级带隙值Egap,与得到的平面异质结电池的开路电压进行对比,得到两者的一个实际关系值,即
qVoc=Egap-0.52（±0.05）eV,这个关系式的获得有助于我们更深入地理解器件工作过程中的机制,从而为器件效率的提升提供方向。
有机薄膜太阳能电池的研究进展
有机薄膜太阳能电池的研究进展 摘要：围绕提高有机薄膜太阳能电池的能量转换效率，从太阳光吸收效率、激子的分解率、载流子的迁移率和电荷向电极的注入效率4个方面综述了国内外的研究进展，并指出了提高转换效率的研究趋势，展望了有机薄膜太阳能电池的美好前景。 关键词：有机薄膜太阳能电池；转换效率 1 前言 近年来，有机薄膜太阳能电池的发展尤其引人注目，德国、日本、韩国和美国在这一领域处于领先地位。相比传统的硅基太阳能电池，有机薄膜太阳能电池以其潜在的低成本、高效率、环境友好、稳定性高的特点，成为最有希望实现民用化光伏的产业，目前的转换效率突破了9%，发展趋势被业界一致看好。 2 有机薄膜太阳能电池的基本原理 图1 有机薄膜太阳能电池的基本原理 当阳光从阳极层（P型有机半导体）照射时，有机分子吸收光产生激子，激子向电子给体和电子受体的界面移动，在界面处通过光诱导解离分解成自由电子和自由空穴，自由电子和自由空穴各自向电极两端迁移，最后注入到两端电极输向外电路。 3 提高转化效率的研究进展 有机薄膜太阳能电池要实现产业化，就需要有较高的转换效率，目前提高转换效率的研究主要集中在以下几方面： 3.1 提高太阳光吸收效率 材料对太阳光的吸收效率越高激子的生成效率就越高。有机材料对太阳光的吸收一般在可见光区，大部分材料对太阳光的吸收利用率不超过40 %，提高材料的吸收光谱与太阳光谱的 匹配性是提高材料对太阳光吸收效率的有效途径。另外，还可以在器件结构中引入具有强吸收特性的材料。利用它们吸收部分太阳能量，再通过激子扩散将其转移给活性材料［1］。 将太阳光吸收特性不同的电池单元层积得到级联电池（又称叠层电池），通过底层电池对顶层电池的补充吸收可以增加对太阳光谱的吸收。张馨芳［2］等人研究了有机无机复合体系本体异质结叠层有机太阳能电池，用Ag作为夹层材料来连接上层的本体异质结太阳电池和下层的太阳电池，得到的叠层结构的太
高效非富勒烯聚合物太阳能电池的制备与性能优化
高效非富勒烯聚合物太阳能电池的制备与性能优化近年来,非富勒烯聚合物太阳能电池（NF-PSCs）成为国内外能源科学和材料领域的研究热点,这得益于非富勒烯受体材料尤其是n-型有机半导体材料（n-OS）的飞速的发展。目前,研究的焦点是如何进一步提高NF-PSCs的能量转换效率（PCE）,并实现工业化生产。 本论文主要围绕宽带隙氟取代聚合物给体材料（PM6）与窄带隙小分子非富勒烯受体材料共混制备高效率的NF-PSCs,探索器件的各性能参数与活性层材料 的特性和共混薄膜的微观形貌之间的相互关系,以及制备并探究了大面积、柔性NF-PSCs的光伏性能,取得的主要研究成果如下:1.以氟取代的宽带隙聚合物给 体材料PM6和小分子非富勒烯受体ITIC为研究对象,制备有机光伏器件并对器件性能进行研究。其中,PM6作为聚合物给体材料,具有较宽的光学带隙（1.8 eV）和较低的HOMO能级（-5.50 eV）,以及较强的结晶性和以Face on取向为主的分子结构。 经过器件优化,在DIO和热退火的协同作用下,基于PM6:ITIC的活性层获得了宽而强的光谱吸收,平衡的空穴/电子迁移率和良好的相分离尺寸,从而光伏器件获得了高达9.7%的能量转化效率;同时获得了高达1.04 V的Voc和16.0 mA cm-2的Jsc。值得注意的是,PM6和ITIC之间的HOMO能级差(ΔEHOMO)仅有0.10 eV,仍然可以获得高效的空穴传输;且能量损失(Eloss)低为0.51 eV。 9.7%的能量转换效率是基于Voc大于1 V且Eloss小于0.55 eV的非富勒烯聚合物太阳能电池中文献报道的最高值。2.为了进一步提高光伏器件的能量转化效率,我们使用结晶性更强的窄带隙非富勒烯受体
非富勒烯有机太阳能电池能级排布研究
非富勒烯有机太阳能电池能级排布研究 太阳能电池是一种可以吸收太阳光转化成电能的功能器件,因而受到广泛的关注及研究,在传统能源储量日益减少的背景下,太阳能电池有望在将来可以有效的缓解能源危机。近十几年来,有机太阳能电池因其低成本,柔性,可卷对卷大面积生产以及材料容易合成的优点一直受到广大科研工作者的青睐。 尤其是近几年,一种小分子受体,俗称非富勒烯受体,搭配共轭聚合物给体构成的太阳能电池,器件效率提升地十分迅速,目前单节太阳能电池的效率已经达到13.1%,比富勒烯受体搭配聚合物给体的最好的效率值还要高。并且,由于非富勒烯受体的分子能级可以调整,未来有望继续刷新器件的效率值。 界面处能级排布对器件性能起着至关重要的作用,因为有很多研究都表明,给体的最高占据分子轨道（HOMO）和受体的最低未占据分子轨道（LUMO）之间的差值(Egap)决定了开路电压(Voc)的上限值。但是,我们必须意识到,传统的能级排布忽略了界面能的存在,而界面能的存在往往会对界面处能级排布产生影响,所以,准确地表征界面处的能级排布对于理解器件工作中的物理过程是必不可缺的。 在本论文的研究中,我们选取了几种常见的活性层材料,包括常见的三种聚合物给体:PBDB-T,PTB7,P3HT。并且选择了非富勒烯受体ITIC与传统的富勒烯受体PCBM进行对比,搭配这三种聚合物制备了平面型器件,并且制备了体异质结器件对比其开路电压。 由于体异质结太阳能电池中无序的能量会导致开路电压(Voc)的减小,所以,我们选取平面型器件的Voc值作为参考,用以研究开路电压与能级排布之间的联系。对于这几在种活性层材料,我们首先应该掌握它
有机太阳能电池研究进展(1)
专题介绍 有机太阳能电池研究进展 X 林 鹏,张志峰,熊德平,张梦欣,王 丽 (北京交通大学光电子技术研究所,信息存储、显示与材料开放实验室,北京,100044) 摘 要:有机太阳能电池与无机太阳能电池相比,还存在许多关键性问题。为了改善有机太阳能电池的性能,各种研究工作正在进行,这些研究主要是为了寻找新的材料,优化器件结构。对电池原理、部分表征方法、效率损失机制、典型器件结构、最近的发展、以及未来的发展趋势作了简要描述。 关键词:有机太阳能电池;器件结构;给体;受体;转换效率 中图分类号:T N 383 文献标识码:A 文章编号:1005-488X(2004)01-0055-06 Progres s in Study of Organic Sola r Ce ll LIN Peng ,ZHANG Zhi -feng ,XIONG De -ping ,ZHANG Meng -xin ,WANG Li (I nstitute of O p toelectronics T echnology ,Beij ing J iaotong University ,Beijing ,100044,China )Abstr act :Compaer ed with inorganic solar cells ,organic solar cells still have many critical pr oblems.In order to improve the properties of organic solar cells,a lot of different studies have been carried on.T he main purposes of these studies are to seek new mater ials and new device structure.A brief review of the theory of photovoltaic cells,along with some aspects of their characterization ,the basic efficiency loss mechanism ,typical device structures ,and the trends in research will be presented. Key wor ds :organic photovoltaic cell;device structure;donor;acceptor ;conversion effi-ciency 前 言 进入21世纪以来,由于煤、石油、天然气等自然资源有限,已经不能满足人类发展的需要。环境污染也已经成为亟待解决的严重问题。同使用矿物燃料发电相比,太阳能发电有着不可比拟的优点。 太阳能取之不尽,太阳几分钟射向地球的能量相当 于人类一年所耗用的能量。太阳能的利用已经开始逐年增长。但目前使用的硅等太阳能电池材料,因成本太高,只能在一些特殊的场合如卫星供电、边远地区通信塔等使用。目前太阳能发电量只相当于全球总发电量的0.04%。要使太阳能发电得到大规模推广,就必须降低太阳能电池材料的成本,或 第24卷第1期2004年3月 光 电 子 技 术OPT OELECT RONIC T ECHNOLOGY Vol.24No.1 Mar.2004 X 收稿日期:2003-11-17 作者简介:林 鹏(1978-),男,硕士生。主要从事光电子技术研究。 张志峰(1977-),男,硕士生。主要从事有机电致发光(OLED)的研究工作。熊德平(1975-),男,硕士生。主要从事无机半导体材料方面的研究工作。
非富勒烯受体ITIC及其改性材料的有机太阳能电池的器件物理研究
非富勒烯受体ITIC及其改性材料的有机太阳能电池的器件物理 研究 目前,电压损失成为进一步提高光伏性能的明显阻碍之一,因此本文利用变光强、变温以及电致发光等方法系统研究了电荷转移、能量无序度和电荷转移态（ECT）对于光电转换效率超过11%的高性能非富勒烯本体异质结太阳能电池的影响。并且通过系统的优化路线对另一种代表性的非富勒烯受体太阳能电池进行优化和性能提升,主要通过变光强和其表面形貌的变化来考察不同给受体比例和不同添加剂对器件的影响,并进行了系统研究。 （1）利用Voc随温度变化来探究太阳能电池器件的电压上限,通过实验证实了器件的Voc与能量无序有关。我们发现最优太阳能电池基于PBDB-T:IT-M与ITIC,PC71BM作为受体的器件相比,具有最低能量无序度。 确定的能量无序度可以调节不同能带器件的Voc,基于EQE和EL 光谱对能量的计算,我们发现PBDB-T:IT-M器件ΔVnonrad随ECT增加而减小,Voc辐射限制结合非辐射损失获得的数值和实验Voc数值相符。结论表明,传输和CTS的能量无序度最小化与是减少Voc损失改善器件性能的关键,通过精确调节BHJs的能量和传输性能,可以减少非辐射电压损失。 （2）基于聚合物给体PBDB-T和一种非富勒烯受体m-ITIC组合,制备本体异质结有机太阳能电池器件,并基于添加剂来调控电池的光伏性能和电荷复合,我们发现PBDB-T:m-ITIC体系和不同添加剂（DIO,CN,DPE和NMP）均表现出优异性能。通过进一步调节优化可获得光电转换效率超过11%的出色性能。
2015.11太阳能受体材料详解
受体材料读书报告 体异质结太阳能电池有低成本、轻质、柔性和可溶液加工的特点。近些年通过开发高空穴迁移率、协调的能级结构和良好波谱吸收的给体材料，单层和叠层太阳能电池光电转换效率均达到10%。在体异质结太阳能电池中受体材料与给体材料有着一样的重要性，然而受体材料的研究远落后于给体材料。目前富勒烯及其衍生物因其在混合膜中高电子迁移率、良好的电子捕捉能力和各向同性的电荷传输性能被广泛作为受体材料应用。但富勒烯及其衍生物低的可见光吸收能力、局限的能级结构和制作纯化的高成本一定程度上制约了以富勒烯为受体材料的体异质结太阳能电池发展。而非富勒烯受体材料分子结构容易设计修饰，可以调节能级结构和提高自身电子迁移率，因此进一步发展非富勒烯受体材料仍有必要。 1.1调节受体分子侧基 Zhan等在2015年报道了高效非富勒烯小分子受体的结构（见下图）。受体分子中三苯胺（TPA）结构中的N原子采用的是SP3杂化，N原子上孤电子对相当于第四个基团，同时因为每条臂都具有相当的刚性和空间位阻，受体分子结构如图螺旋桨结构一般。文献中以P3HT 为给体材料（HOMO-4.76eV、LUMO-2.74eV），星型S(TPA–DPP)为受体材料（HOMO-5.26eV、LUMO-3.26eV），电池的开路电压为1.18V，短路电流2.68mA*cm-2，PCE为1.20%。其中开路电压高达1.18V这是因为S(TPA–DPP)的LUMO能级与P3HT的HOMO能级差值为1.5 eV。文献中采取了退火操作，退火后P3HT的结晶尺寸适当程度增大，表面粗糙程度增加，退火操作增加了电荷传输性能，IPCE明显提高。从薄膜和溶液中紫外-可见光吸收谱图得出，该扭曲的螺旋桨结构受体分子在薄膜中没有产生大的聚集状态。文中退火操作适当的提高了相分离尺寸，从而提高了Jsc和IPCE。
高效三元非富勒烯有机太阳能电池的研究
高效三元非富勒烯有机太阳能电池的研究有机太阳能电池（OSCs）具备低成本、质量轻、可柔性、易于大规模生产等特点,是具有重大产业前景的新一代绿色能源技术。非富勒烯材料合成路径简单,分子能级可调性强,基于非富勒烯受体的OSCs近年来备受关注。 然而,目前主流的非富勒烯普遍存在薄膜形貌难以调控、载流子迁移率低等缺陷。三元策略能有效拓宽活性层吸收光谱范围,提升器件的短路电流密度 (JSC)和填充因子（FF）。 但是三元器件的研究中存在着光电转化效率（PCE）较低、稳定性差等问题。针对以上问题,本论文基于经典的非富勒烯体系PTB7-Th:ITIC,采用三元策略来优化器件的性能,得到了高效率高稳定性的三元非富勒烯器件。 主要内容如下:1.在PTB7-Th:ITIC体系中引入了一种基于菲并咪唑的小分子材料TPPI-TPE,实现了高效率的三元非富勒烯器件。当掺杂比例为10 wt%时,与二元器件相比,三元器件的FF从57.88%提升到65.63%,PCE从7.88%提升到9.50%,提升幅度超过20%。 研究表明,TPPI-TPE与二元主体系的吸收光谱互补,引入可以增强共混膜的光吸收,更重要的是TPPI-TPE可以促进聚合物给体的结晶,增强其π-π堆叠强度,对活性层的形貌起到了调控作用,激子解离和电荷传输同时得到了改善。2.在此基础上,向PTB7-Th:ITIC体系中引入染料分子香豆素7（C7）,实现了高性能三元非富勒烯器件,并详细研究了第三组分与主体系的分子间相互作用对性能造成的影响。 当C7掺杂比例为10 wt%时,三元器件JSC从14.87 mA/cm2提升为18.36 mA/cm2,获得了10.16%的PCE,较
化学所在氯取代有机光伏材料设计方面取得系列进展
化学所在氯取代有机光伏材料设计方面取得系列进展 有机光伏（OPV）电池是一项具有重大应用前景的绿色能源技术。近年来，得益于新材料的发展，OPV电池的光伏效率取得了大幅提升，表现出巨大的实际应用潜力。面向OPV 技术产业化，提升材料光伏性能的同时，必须注重对合成成本的控制。在材料设计中，引入卤原子是最常见且有效改善光谱、能级以及聚集形貌等基本特性的分子设计方法。目前，众多高效率给、受体材料的制备过程大多包含步骤冗长、产率较低且成本高昂的氟化过程，严重制约了有机光伏材料的大批量制备研发进程。 在北京分子科学国家研究中心、国家自然科学基金委和科技部的支持下，中国科学院化学研究所高分子物理与化学实验室侯剑辉课题组采取氯化方法设计高性能有机光伏材料，取得了系列进展。聚合物给体方面，该课题组与北京科技大学副教授张少青合作，将苯并二噻吩（BDT）类聚合物PBDB-TF中的氟原子替换为氯原子，不仅大幅缩短了合成步骤，而且材料在电池器件中也表现出更高的光伏效率（Adv. Mater. 2018, 30, e1800868）；非富勒烯受体方面，该课题组通过引入二氯氰基茚二酮作为端基，显著地增强了分子内电荷转移效应，拓宽了材料的吸收范围，相应材料在各类型电池中都获得了优异的性能（Adv. Mater. 2017, 29, 1703080; Sci. China Chem. 2018, 61, 1328-1337; Adv. Mater. 2018, 30, 1800613; Nat. Commun. 2019, 10, 2515）。近期，该课题组系统总结了有机光伏材料的氯取代修饰方法，深入探讨了相关的分子设计及光伏特征，相关内容发表在Acc. Chem. Res. 2020, 53, 4, 822-832，论文第一作者为副研究员姚惠峰，通讯作者是研究员侯剑辉。 在最近的工作中，该课题组通过细致地优化近期出现的明星受体分子Y6，通过氯化的方式制备了新的受体BTP-eC9；该方法提升了分子排列有序性，促进了电荷传输，在单节电池中获得了最高17.8%的光伏效率，并得到了国家计量研究院的认证（17.3%），证明了氯取代修饰方法在高性能有机光伏材料设计中的重要作用。国家纳米科学中心魏志祥课题组和瑞典林雪平大学高峰课题组提供了材料形貌表征及器件物理相关的支持。相关研究工作发表在近期的Advanced Materials上，通讯作者是姚惠峰，第一作者是崔勇。
高效非富勒烯受体材料的设计合成及性质研究
高效非富勒烯受体材料的设计合成及性质研究本论文分别从末端受体单元与中间给体单元间的连接单元和末端受体单元两个方面分别对本组已报道的优秀小分子受体材料的化学结构进行细微调控,设计并合成了四个高效的“受体-给体-受体”（A-D-A）型非富勒烯受体材料。并对这些化合物的化学结构、热稳定性、光学吸收性质、电化学性质、作为受体材料的有机光伏器件性能,以及活性层形貌做了系统的研究。 两部分的摘要如下:一、以FDICTF（F-H）受体分子为基础,通过在末端基团双氰基茚满二酮上引入卤素原子（F,Cl和Br）,设计合成了三个新的非富勒烯受体分子。相对于受体分子F-H,三个分子表现了红移的紫外可见吸收光谱,增强的结晶性以及电荷迁移率。 引入卤素后,给受体混合膜中出现了更倾向于face-on的堆积方式,这种堆积方式有利于双分子复合的减弱以及电荷的传输与收集,从而获得较高的短路电流密度以及填充因子。当采用PBDB-T作为给体材料制备器件,分别获得了 10.85%,11.47%和12.05%的能量转换效率（Power Conversion Efficiencies,PCE）,明显高于相同条件下的基于F-H的器件的能量转换效率9.59%。 是同时期文献报道的基于非富勒烯受体的单层有机太阳能电池的最高值之一。二、设计合成了以非富勒烯受体分子F-H的核作为中间给体单元D,以双氟取代的双氰基茚满二酮为末端受体单元A,以噻吩并噻吩甲酸异辛基酯为D-A间连接单元Q的小分子受体材料F-TT-2F。 噻吩并噻吩甲酸异辛基酯的引入增加了醌式共振效应,双氟取代的双氰基茚满二酮的强拉电子作用使得分子的能级也有所降低,吸收光谱明显红移。当采用
面向非富勒烯型有机光伏电池的聚合物给体材料设计
物理化学学报(Wuli Huaxue Xuebao) December Acta Phys. -Chim. Sin.2017,33 (12), 2327?2338 2327 [Feature Article] doi: 10.3866/PKU.WHXB201706161 https://www.360docs.net/doc/0b11522601.html, 面向非富勒烯型有机光伏电池的聚合物给体材料设计 张少青1,2侯剑辉2,* (1北京科技大学化学与生物工程学院，北京 100083； 2中国科学院化学研究所，北京分子科学国家实验室，高分子物理与化学实验室，北京 100190) 摘要：可溶液加工的有机光伏电池(OPV)是一种具有重要应用潜力的新型光伏技术。在OPV技术的发展过程 中，富勒烯衍生物作为电子受体材料占据了相当长时间的统治地位，因此聚合物给体材料设计中对如何与富 勒烯受体材料相互匹配考虑较多。最近几年来，基于聚合物给体和非富勒烯有机受体的OPV电池，简称为 非富勒烯型NF-OPV，得到了十分快速的发展。在此类电池中，聚合物电子给体和非富勒烯型电子受体材料 均起到了十分重要的作用。相比于较为经典的富勒烯型OPV，NF-OPV对聚合物给体的光电特性和聚集态结 构提出了新的要求。因此，本文针对NF-OPV的特点，重点介绍NF-OPV对聚合物给体材料的吸收光谱、分 子能级以及聚集态结构等特征的新要求，总结最近几年来的相关进展，并在此基础上进一步讨论聚合物电子 给体材料面临的挑战和展望。 关键词：有机太阳能电池；共轭聚合物；分子设计；非富勒烯受体；光伏效率 中图分类号：O646 Rational Design Strategies for Polymer Donors for Applications in Non-Fullerene Organic Photovoltaic Cells ZHANG Shao-Qing1,2 HOU Jian-Hui2,* (1School of Chemistry and Biology Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, P. R. China; 2State Key Laboratory of Polymer Physics and Chemistry, Beijing National Laboratory for Molecular Sciences, Institute of Chemistry, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, P. R. China) Abstract: Solution-processable organic photovoltaic cells (OPVs) have attracted considerable interest. Over the past twenty years, fullerene and its derivatives have been predominately used as the electron acceptor materials to fabricate OPV devices. In recent few years, non-fullerene organic photovoltaic cells (NF-OPVs), consisting of polymers as the donors and the non-fullerene (NF) materials as the acceptors, have been developed rapidly, and the highest power conversion efficiencies of NF-OPVs exceed those of fullerene-based OPVs. In these NF-OPVs, both polymeric donor materials and NF acceptors play critical roles in achieving outstanding efficiencies, and hence, the molecular design of the polymer donors has been deemed a very important topic of research in the field. In this review, we will present an introduction of the specific requirements for polymer donors in NF-OPVs and summarize the recent progress related to polymer donors for the applications in highly efficient NF-OPVs. Key Words: Organic photovoltaic cells; Conjugated polymer; Molecular design; Non-fullerene Received: May 29, 2017; Revised: June 11, 2017; Published online: June 16, 2017. *Corresponding author. Email: hjhzlz@https://www.360docs.net/doc/0b11522601.html,; Tel: +86-10-82615900. The project was supported by National Nature Science Foundation of China (91333204, 21325419, 51673201) and the Chinese Academy of Sciences (XDB12030200). 国家自然科学基金委(91333204, 21325419, 51673201)和中国科学院战略性B类先导科技专项(XDB12030200) ? Editorial office of Acta Physico-Chimica Sinica
非富勒烯有机太阳电池的器件特性研究
非富勒烯有机太阳电池的器件特性研究 非富勒烯有机太阳电池凭借设计、合成便利性,强光学吸收和最小化能量损失等优点,成为有机太阳电池的研究热点。在突破富勒烯太阳电池效率瓶颈并提高能量转换效率方面,被寄予厚望。 目前,非富勒烯作为受体的器件表现已经超越富勒烯衍生物,能量转换效率不断攀升。然而,研究的主要力量在新材料的设计、开发,对非富勒烯受体区别于富勒烯受体的特性缺乏深入的了解。 对非富勒烯太阳电池器件物理的研究,有助于系统的理解新材料的新特性,反过来指导器件的优化和材料的设计。常用富勒烯衍生物受体合成成本高,限制了有机太阳电池的大规模推广。 本论文的第二章讨论采用无需经过高成本提纯、分离的 PC61BM/PC71BM天然混合物作为受体,相对纯富勒烯衍生物受体,能够大幅度缩减合成成本。PCBM混合物受体的器件表现超过了纯 PC61BM,并接近PC71BM受体。 三者器件短路电流差距较大,PCBM混合物的短路电流高于 PC61BM,略低于PC71BM受体。光电转换过程分析表明,三者器件的短路电流差距,主要来自短波长处的光吸收和载流子收集效率差别。 采用倒置器件结构和电子传输材料PFN,对器件做进一步优化,我们将PTB7给体PCBM混合物受体器件光电转换效率提高至8.01%。研究结果表明,PCBM天然混合物在合成成本和光电性能上均优于PC61BM受体,是大面积有机太阳电池模组受体材料的优秀候选者。 非富勒烯太阳电池能够实现转换效率的突破,其中一个决定性的因素是其具
太阳能电池的研究进展
太阳能电池研究进展 随着化石能源的逐渐枯竭及其利用过程中所产生的环境恶化，人类迫切需要寻求对环境友好的可再生能源。太阳能是目前最具前景的新型能源，取之不尽，用之不竭，而且太阳能的使用不会对生态环境造成破坏，是一种安全无污染的可再生能源。太阳能的利用成本也很低，并且太阳能的使用不受地里条件的限制。太阳能的利用形式多种多样，比较典型的有光热转换和光电转换。而在太阳能的有效利用中太阳能的光电利用可将太阳能直接转换为电能，被认为是最有效的利用太阳能的方式，也是今年来发展最快，最具活跃的领域[1,2,3]。因此太阳能电池的开发和研制也就日益得到科学家们的重视。 制造太阳能电池主要是以半导体材料为基础，其工作原理是利用光电材料吸收光能后发生的光电子转移反应，根据制造太阳能电池所用的材料的不同，太阳能电池可以分为：硅太阳能电池；以无机盐如砷化镓Ⅲ-Ⅴ化合物，硫化镉，铜铟硒等多元化合物为材料的无机盐太阳能电池；纳米晶太阳能电池等。硅是一种良好的半导体材料，储量丰富，是地球上储存量第二大的元素，而且性能稳定、无毒，因此成为太阳能电池研究开发、生产和应用中的主体材料。本文主要介绍了硅太阳能电池的种类，研究现状及其应用前景，并探讨了硅太阳能电池的发展趋势。 第一代硅太阳能电池 1954年美国贝尔实验室研制出了第一块晶体硅太阳能电池，开始了利用太阳能发电的新纪元[15]，不久后应用于人造卫星，宇宙飞船等航空航天领域。而现在硅太阳能电池占到了整个太阳能电池产量的90%以上，硅太阳能电池是最重要也是技术最成熟的太阳能电池。近年来随着新技术的不断应用，硅太阳能电池的转换效率提高较快。 单晶硅太阳能电池 在硅太阳能电池的发展初期，由于单晶硅的价格过于昂贵，人们一度认为单晶硅太阳能电池会逐渐淡出地面应用太阳能电池市场。但是随着太阳能电池的薄
聚合物太阳能电池用富勒烯电子受体材料的设计
昆明理工大学课程设计专用纸 聚合物太阳能电池用富勒烯电子受体材料的设计 摘要 聚合物太阳能电池因其制作工艺简单、成本低、重量轻和柔性好等优点而备受人们的关注。近年来，聚合物太阳能电池取得较快的发展，其中，光伏材料的研究进展起着至关重要的作用，尤其是给体材料的发展带动了聚合物太阳能电池较快的发展。目前，人们主要致力于给体材料的优化，而对受体材料的研究却比较少，以至于目前使用得最普遍的电子受体材料仍然是[6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯(PC60 BM)和与其对应的C70衍生物PC 70 BM。然而，P C60 BM 和PC 70 BM 存在一些缺点，比如，与常见的给体材料相比，它们的LUMO 轨道相对较低；还有，它们在可见区的吸收较弱。因此，设计和合成出具有高的LUMO轨道和在可见区具有较强吸收的新型富勒烯衍生物是非常重要的。 关键词：聚合物太阳能电池富勒烯电子受体 Abstract Polymer solar cells have attracted great attention due to their advantages of easy fabrication，low cost，lightness and flexibility．Materials development has played a vital role in the dramatic improvement of polymer solar cells performance in recent years，and this is driven primarily by the advancement of conjugated polymer donormaterials．While most material development efforts have been dedicated to optimizing the donor materials，significantly less attention has been placed on acceptor materials which to date remain dominated by fullerene derivatives[6, 6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester(PC60BM)and itscorresponding C 70 derivative P C 70BM．However,PC60BM and P C BM have some drawbacks such asrelatively low LUMO energy levels compared with 70 those of common donors and weak visible absorption．So，it is very important to design and synthesize new fullerene derivatives with up。Shifted LUMO energy levels and strong visible absorption for polymer solar cells． Keywords：Polymer solar cells；Fullerene；ElectronAcceptor.
【CN109824703A】一种具有非平面核心结构的有机化合物及其制备方法和应用【专利】
(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910152173.8 (22)申请日 2019.02.28 (71)申请人 山东师范大学 地址 250014 山东省济南市历下区文化东 路88号 (72)发明人 李刚 杨文彬 王帅花 徐文波 郝品 唐波 (74)专利代理机构 济南圣达知识产权代理有限 公司 37221 代理人 郑平 (51)Int.Cl. C07D 519/00(2006.01) H01L 51/46(2006.01) (54)发明名称 一种具有非平面核心结构的有机化合物及 其制备方法和应用 (57)摘要 本发明提供一种具有非平面核心结构的有 机化合物及其制备方法和应用，属于有机化合物 合成技术领域。经研究发现，苯基取代的甲烷类 核心，如二苯甲烷，三苯甲烷等等，它们中间的碳 原子采用sp 3杂化形式，是接近正四面体的空间 构型，非常有利于抑制苝酰亚胺的固体团聚趋 势，从而有利于提高苝酰亚胺的光电转化效率， 从而制备上述有机化合物，且表现出良好的光电 特性， 因此具有良好的实际应用之价值。权利要求书2页 说明书8页 附图4页CN 109824703 A 2019.05.31 C N 109824703 A
1.一种具有非平面核心结构的有机化合物，其特征在于，所述有机化合物其结构式如 下式(I)或式(II)所示： 式中R为H、不多于16个碳原子的任意烃基。 2.如权利要求1所述的一种有机化合物，其特征在于，所述R为不多于8个碳原子的任意烷基； 优选的，所述R为C 6H 13。 3.权利要求1或2所述有机化合物的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括将连有硼酸酯的芳基取代的甲烷和溴代苝二酰亚胺通过Suzuki偶联反应制备所述有机化合物的步骤； 合成路线如下： 权 利 要 求 书1/2页2CN 109824703 A
非富勒烯小分子受体材料的合成及其光伏性能研究
非富勒烯小分子受体材料的合成及其光伏性能研究有机太阳能电池具有质轻价廉,可制备大面积柔性设备等特点,使其具有较 大的应用潜力。但其离商业化仍然还有许多工作要做,在当前能源紧缺的环境下,加快基于有机太阳能电池的材料开发势在必行。 本文综述了应用于有机太阳能电池的非富勒烯受体材料以及发展现状,设计并合成了一个具有三维结构的苝酰亚胺类宽带隙受体材料:BP-PDI4,以及含吡喃环的窄带隙受体材料:PTIC。通过联苯核将四个体积较大的苝酰亚胺单元连接在一起,由于位阻使得该小分子呈现3D构型,从而抑制其在固态的聚集。 通过在IDT给体核内引入氧原子,使其拥有更强的给电子能力,从而使得该ADA结构的小分子吸收光谱得到拓宽和红移。此外,对两个系列的受体材料的光 电性质与器件性能了表征:（1）通过对比BP-PDI4与苝酰亚胺单体 的吸收光谱,可以发现BP-PDI4的聚集程度远小于PDI单体,说明构 建具有3D结构的小分子是一种抑制苝酰亚胺受体聚集的有效方法。 将BP-PDI4与PTB7-Th或PBDTTT-C-T共混可以得到形貌均匀的共混膜,制备有机太阳能电池器件,得到最高2.95%的光电转化效率。（2）IDT给体核中插入氧原子得到新的含吡喃环的给体核PDT,可以提升给体核的给电子能力,加强ADA构型的受体材料的分子内电荷转移效应,使吸收光谱红移,提升HOMO 能级,减小带隙,拓宽吸收光谱。 将基于PDT核的受体小分子PTIC与聚合物给体PBDB-T共混制备有机太阳能电池器件,得到最高7.66%的光电转化效率。
基于苯并二噻吩单元的聚合物太阳能电池受体材料的开发与应用
基于苯并二噻吩单元的聚合物太阳能电池受体材料的开发与应用中文摘要 中文摘要 有机太阳能电池在这近几年的迅速发展使人们看到其实现商业化应用的可能，其中单节聚合物太阳能电池的研究不断地取得突破并已达到13%以上的光电转换 效率，这得益于众多优秀的光伏材料的开发与优化，特别是近年得到快速发展的小分子非富勒烯受体材料。一种经典的3元稠环化合物——苯并二噻吩（BDT）作为构建有机光电材料的一个结构单元具有其优越的性能。本论文的研究工作基于苯并二噻吩结构单元开发出了一系列结构为“拉电子单元-供电子单元-拉电子单元（a-d-a）”的小分子受体材料，并分别从分子的中心骨架、末端基团优化和侧链 修饰这三个方面进行研究，来进一步开发具有更高性能的聚合物有机太阳能电池。 （1）设计合成了含BDT单元的a-d-a型非富勒烯受体材料BDT-IC，该化合物具有与IT-IC互为同分异构体的7元稠环骨架BDCPDT，使其获得了比IT-IC较为红移的吸收光谱以及较窄的能隙。BDT-IC同时在有机薄膜中具有更好的结晶性以及更紧密的分子堆积，使其具有更好的载流子迁移率。与聚合物给体J71配合获 得了10.5%的平均光电转换效率，高于基于IT-IC的太阳能电池器件。 （2）在末端基团上引入Cl原子合成了两个新型的基于BDT的非富勒烯受体材料BT-CIC。由于Cl原子拉电子效应，使BT-CIC具有E g = 1.33 eV的超窄带隙，且吸收波长边缘达到了近红外区的930 nm处。Cl原子的引入提高了分子在固体薄 膜中的堆积，大大提高了器件的短路电流J SC，以聚合物J71为给体材料的器件效率达到了11.2%。另外，基于BT-CIC的半透明有机太阳能电池在平均透过率为43%的情况下达到了7.1%的光电转换效率。 （3）在BDT-IC骨架上通过引入正己基（n-hexyl）和正己基硫基（n-hexylthio）侧链分别合成了两个新的受体材料CBT-IC和SBT-IC。通过与BDT-IC的比较发现，侧链的推/拉电子性能对受体材料的光吸收和分子能级具有明显的调控作用。另外 在固体薄膜状态下，正己基和正己基硫基的引入减弱了材料的结晶性，但在与J71的混合膜中载流子的平衡得到了提高。最终基于CBT-IC和SBT-IC的太阳能电池均表现出了高于BDT-IC的器件效率11.02%和11.28%。 I 万方数据