有机太阳电池由p-型有机半导体(p-OS)给体和n-型有机半导体(n-OS)受体共混活性层夹在透明导电电极和金属电极之间所组成,具有结构简单、重量轻、成本低以及可采用溶液加工方法制备成柔性和半透明器件等优点,成为了近年来新能源研究领域的研究热点。其中p-OS给体光伏材料包括共轭聚合物和有机小分子两类材料。与聚合物相比,小分子材料具有确定的分子结构、无合成批次差别、易提纯等优点,因此有机小分子给体光伏材料也引起了人们的广泛关注。全小分子非富勒烯有机太阳能电池使用p-OS小分子给体和n-OS小分子受体,同时具有小分子给体材料和非富勒烯小分子受体材料的优点,最近成为有机太阳能电池领域的一个重要研究方向。

聚合物太阳能电池具有结构和制备过程简单、成本低、重量轻、可制备成柔性器件等突出优点,成为近年来国内外研究热点。将富勒烯衍生物受体用n-型有机半导体材料取代,可以克服富勒烯受体存在的可见光区吸光弱、能级调控困难和形貌稳定性差等缺点,近年来受到研究者的关注。多种性能优异的非富勒烯型受体被设计出来,如窄带隙n-型聚合物受体N2200和有机半导体受体ITIC。

有机太阳电池由p-型有机半导体给体和n-型有机半导体受体共混活性层夹在透明导电电极和金属电极之间所组成,具有结构简单、重量轻、成本低以及可采用溶液加工方法制备成柔性和半透明器件等优点,成为了近年来新能源研究领域的研究热点。其中p-OS给体光伏材料包括共轭聚合物和有机小分子两类材料。与聚合物相比,小分子材料具有确定的分子结构、无合成批次差别、易提纯等优点,因此有机小分子给体光伏材料也引起了人们的广泛关注。全小分子非富勒烯有机太阳能电池使用p-OS小分子给体和n-OS小分子受体,同时具有小分子给体材料和非富勒烯小分子受体材料的优点,最近成为有机太阳能电池领域的一个重要研究方向。

在中国科学院先导项目的支持下,中科院化学研究所有机固体重点实验室李永舫课题组研究人员最近在p-OS小分子给体材料和全小分子非富勒烯有机太阳电池的研究中取得系列研究进展,使全小分子有机太阳电池的能量转换效率突破了10%。

中国科学院化学研究所有机固体院重点实验室李永舫课题组研究人员发展了一系列基于噻吩取代苯并二噻吩与苯并三氮唑单元的中间带隙二维共轭聚合物给体材料,通过侧链工程降低了HOMO能级,增强了链间相互作用,提高了空穴迁移率。使基于这类聚合物为给体、ITIC为受体的非富勒烯聚合物太阳能电池的能量转换效率达到11.4%。

在中国科学院先导项目的支持下,中科院化学研究所有机固体重点实验室李永舫课题组研究人员最近在p-OS小分子给体材料和全小分子非富勒烯有机太阳电池的研究中取得系列研究进展,使全小分子有机太阳电池的能量转换效率突破了10%。

p-OS小分子给体材料多采用A-π-D-π-A型(其中D代表给体结构单元、A代表受体结构单元)线性分子结构。他们首先在其开发的用于非富勒烯聚合物太阳电池的J-系列高效聚合物给体光伏材料的基础上,将J-系列聚合物小分子化,合成了基于苯并二噻吩为给体单元、氟取代三氮唑为受体单元、乙腈酯基为末端受体单元的p-OS小分子H11和H12。以H11为给体、n-OS小分子IDIC为受体的全小分子有机太阳电池开路电压(Voc)达到0.977V,能量转换效率达到9.73%(J.Am.Chem.Soc.2017,139,5085-5094.)。

研究人员在前期工作中发现,BTA单元上的两个氢原子被氟原子取代,聚合物的HOMO能级下移0.13
eV,同时空穴迁移率显著提高(Chem.
Mater
. 2012,24,
3247-3254)。利用这类聚合物在可见-近红外区与ITIC受体吸收互补的特点,制备了以这类聚合物为给体、ITIC为受体的非富勒烯聚合物太阳能电池。得益于氟取代聚合物J51较低的HOMO能级和较高的空穴迁移率,与无氟取代的聚合物J50相比,基于J51器件的开路电压(Voc)从0.71
V提高到0.82 V,能量转换效率从4.80%提高到9.26% (Adv. Mater.2016, 28,
8288-8295)。考虑到0.82
V的Voc仍然不够高,研究人员根据先前的经验(Energy Environ. Sci.2014,
7,
2276-2284),将硫烷基引入到BDTT单元的噻吩共轭侧链上进一步降低了聚合物的HOMO能级,同时还使其吸收光谱红移。另外还发现所得聚合物J61更有利于采取平行于衬底方向的分子排列,这些因素都有利于提升光伏性能。基于J61与ITIC的器件Voc和PCE分别提高到约0.9
V和9.52% (J. Am. Chem. Soc.2016, 138,
4657-4664),通过器件进一步优化使效率达到了10.57 % (J. Am. Chem. Soc.2016, 138, 15011-15018)。

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