基于苝二酰亚胺类非富勒烯受体共混体系凝聚态结构调控

非富勒烯太阳能电池具有给受体能级可调、吸收范围宽及可溶液加工等优势,已经成为太阳能电池领域发展趋势。在高性能材料开发及器件结构优化的推动下,能量转换效率已经突破11%。其中,苝二酰亚胺(PDI)类分子价格低廉且具有良好的稳定性及较高的电子迁移率,已经发展成为重要的非富勒烯受体材料。然而,PDI类材料刚性稠环结构使得分子间具有强烈的π-π相互作用(受体-受体分子间及给体-受体分子间),导致共混体系相分离尺寸可控性差,给受体分子间共混程度难于调控,从而发生严重的成对以及非成对电荷复合。本文从分子间作用力入手(溶剂-溶质、给体-受体分子间作用力)详述了非富勒烯共混体系相分离结构、相区尺寸及共混相含量调节的相关原理及方法。研究表明基于PDI共混体系,固-液相分离及分子扩散能力是决定相分离结构的本质因素,通过调控给受体比例及热退火温度实现了孤岛及互穿网络结构的构筑。同时,通过平衡受体分子间π-π作用及给受体间电荷转移,实现了低相容性及高相容性共混体系相区尺寸的可控调节。在此基础上,利用添加剂手段通过调节溶剂与溶质分子间的溶度参数差值,实现了薄膜内共混相的可控调节,并针对具有不同相容性共混体系给出了添加剂的选择原则。     

高分子相分离的分子动力学模拟

用粗粒化分子动力学(MD)模拟方法从分子层次研究两组分聚合物共混体系相分离过程中的动力学. 在相分离初期, 相区尺寸不随时间增加而变化; 在相分离中期, 相区尺寸与时间有很好的标度关系, 标度指数(α=1/3)符合Lifshiz-Slyozov提出的以扩散为主导的蒸发-凝聚机理的标度预测; 在相分离后期, 体系实现宏观相分离, 相区尺寸不再随时间改变而变化. 体积分数小的高分子链尺寸在相分离过程中先收缩再扩张, 在实现宏观相分离后, 高分子链尺寸又回到本体状态尺寸.     

侧链调控在有机光电高分子材料中的应用研究进展

有机光电聚合物材料是由共轭主链与柔性侧链组成,具有制备简单、成本低廉、重量轻及可制成柔性器件等突出优点,近年来成为国内外研究的前沿和热点.目前对聚合物材料主链结构的优化研究较多,基于侧链调控的报道则相对较少.对主链共轭高分子光电材料侧链调控的目的主要是改善材料的溶解性能,然而,侧链修饰的影响远非如此.研究发现,侧链修饰后聚合物材料的吸收光谱、能级分布、载流子迁移率、器件共混膜形貌以及界面形态等光电性能方面可发生不同程度的变化.此类研究成果无疑将对设计与优化有机聚合物材料分子结构、活性层形貌与界面形态以及器件制备方法和加工工艺具有指导意义.同时,随着器件制备方法的不断改进以及加工工艺的不断发展,为进一步改善器件效率,提高纳米活性材料的形貌调控与界面形态优化能力,基于有机光电高分子材料侧链调控的研究价值日益突显.因此,结合高分子光电材料应用领域的研究现状,以聚合物分子侧链结构优化设计为出发点,基于侧链调控为主题,以不同的修饰侧链为研究对象,对光电高分子材料侧链调控中拟解决的问题及本实验室的相关工作做主要综述.     

轮烷结构优化聚合物太阳能电池光伏性能

聚合度高低会影响聚合物太阳能电池(PSC)活性层的共混微观结构,导致其器件性能存在较大差异,一般在聚合度较低时,PSC的能量转化效率(PCE)通常因电荷传输受到影响而明显降低.为解决这一问题,本工作将环状化合物冠醚与聚合物以非共价键的方式组成轮烷结构,合成了四种具有不同冠醚含量且聚合度较低的给体材料PM6-C1、PM6-C2、PM6-C3和PM6-C4.在保留聚合物本身优异光电性质的同时,适量轮烷结构带来的非共价相互作用使活性层形成合适的纤维状网络结构和良好的相分离尺度,增强了器件的电荷提取效率,减少了陷阱/双分子复合,从而导致高的电荷传输与收集效率.基于PM6-C2的器件最终实现了16.23%的PCE,高于基于PM6-L的器件(15.33%),表明轮烷结构有助于改善聚合物太阳能电池活性层形貌,在PSC材料研究中具有极大的潜力.     

全共轭聚噻吩类和聚硒吩类嵌段共聚物的凝聚态结构调控

嵌段共聚物可发生微相分离形成丰富的介观尺度上的相结构,而共轭聚合物是一类具有特殊的力学、导电性能或光电功能的半刚性链高分子.全共轭嵌段共聚物因其兼具两者的特性而备受瞩目.本文着重介绍了近年来课题组在基于全共轭聚(3-烷基噻吩)和聚(3-烷基硒吩)嵌段共聚物体系的研究进展,通过改变体系的分子结构包括主侧链结构、侧链的烷基长度及取代基团等以及对体系在溶液状态及薄膜状态进行后处理包括改变溶剂、热处理、溶剂蒸气处理等来调控体系的微相分离行为和结晶行为,实现对材料凝聚态结构的调控.在此基础上,以有机场效应晶体管和聚合物太阳能电池器件作为最终体现聚噻吩或聚硒吩类体系凝聚态结构与性能关系的平台,将获得的调控体系凝聚态结构的有效策略用于实现其半导体材料物理性能的提升.     

有机高分子/无机半导体杂化太阳能电池的发展现状与展望

有机高分子/无机半导体杂化太阳能电池是一类以共轭聚合物和无机半导体材料的复合材料为主要原料制备的太阳能电池。本文详细论述了杂化太阳能电池的工作原理,并根据其工作原理分析了影响杂化太阳能电池效率的影响因素,包括给体材料的选择、异质结形态、光敏层厚度、无机半导体的选择与表面改性及电池的退火处理等,并从各个影响因素的角度对杂化太阳能电池的发展进行了讨论,最后从共轭聚合物的角度对杂化太阳能电池的发展做出了展望,指出想要进一步提高杂化太阳能电池的效率,未来应该在对已知共轭聚合物进行改性或合成新的共轭聚合物上投入更多的精力.     

含均苯四甲酸二酰亚胺受体单元的共轭高分子的合成及其在有机太阳能电池上的应用

通过Stille反应合成了一系列含有均苯四甲酸二酰亚胺受体单元的共轭聚合物P1～P7.该系列聚合物在常见有机溶剂中溶解性良好,在370～600 nm范围内有较强吸收.通过循环伏安法测量其LUMO能级范围在-3.66～-3.90 eV之间,HOMO能级在-5.25～-6.17 eV之间,在同类分子中接近最低值.通过改变主链中噻吩单元的数量和给电子单元,可以调节分子的能隙,使其电化学能隙在2.45～1.55 eV范围内变化.将含均苯四甲酸二酰亚胺受体单元的P1～P7应用于有机太阳能电池中,作为给体材料与PC61BM共混制成本体异质结聚合物电池,器件开路电压普遍较高.其中基于均苯四甲酸二酰亚胺与二噻吩并噻咯的聚合物P7的器件,在AM 1.5 G,86 mW/cm2光照条件下,开路电压为0.72 V,短路电流为1.22 mA/cm2,能量转换效率为0.27%.     

多级结构氧化锌的构筑、形貌调控及其光催化活性

分别以混合常见二锌盐为锌源,以离子液体和柠檬酸钠为表面活性剂,在绿色温和的条件下采用二次沉积法制备出多级结构氧化锌。用XRD、IR、SEM、UV-Vis、PL等表征了样品的组成、结构、形貌、光致发光性能及光催化性能。探讨了表面活性剂、阴离子、温度等因素对氧化锌形貌的影响。结果表明,由不同表面活性剂所得到样品的多级结构有较大的差异。此外,推测了在多级结构氧化锌形成过程中,阴离子和温度对样品形貌的调控作用,并对比了三种典型样品的光催化性能,其中样品-1的光催化性能最好。     

苝二酰亚胺聚合物受体设计及在全聚合物太阳能电池中的应用

二元或多元聚合物组成的本体异质结具备高度稳定的微相分离形貌,带来潜在的器件寿命和稳定性方面的巨大优势,全聚合物活性层器件因而成为有机太阳能电池的重要发展方向和研究内容.本文系统介绍近年来苝二酰亚胺类聚合物受体的研究进展,以及将这类聚合物受体应用于全聚合物太阳能电池所取得的重要成果.通过多种不同共聚单元结构的设计和筛选、主链和侧链化学结构的调控和优化,获得了一系列性能优越的苝二酰亚胺聚合物受体,这些材料的运用大幅度地提升了全聚合物太阳能电池的能量转化效率.相关的研究数据和结果也为后续酰亚胺类聚合物受体的设计开发、全聚合物本体异质结活性层的形貌特征和光电转化机制的分析和研究,以及全聚合物太阳能电池器件性能的优化和提升提供了良好的实验基础.     

Achieving Efficient Thick Film All-polymer Solar Cells Using a Green Solvent Additive

Advances in organic photovoltaic technologies have been geared toward industrial high-throughput printing manufacturing, which requires insensitivity of photovoltaic performance regarding to the light-harvesting layer thickness. However, the thickness of light-harvesting layer for all polymer solar cells(all-PSCs) is often limited to about 100 nm due to the dramatically decreased fill factor upon increasing film thickness, which hampers the light harvesting capability to increase the power conversion efficiency, and is unfavorable for fabricating large-area devices. Here we demonstrate that by tuning the bulk heterojunction morphology using a non-halogenated solvent, cyclopentyl methyl ether, in the presence of a green solvent additive of dibenzyl ether, the power conversion efficiency of all-PSCs with photoactive layer thicknesses of over500 nm reached an impressively high value of 9%. The generic applicability of this green solvent additive to boost the power conversion efficiency of thick-film devices is also validated in various bulk heterojunction active layer systems, thus representing a promising approach for the fabrication of all-PSCs toward industrial production, as well as further commercialization.     

Unraveling the Effect of Solvent Additive and Fullerene Component on Morphological Control in Organic Solar Cells

The manipulation of the morphology of the active layers is crucial for improving the performance of organic photovoltaic(OPV)devices. In particular, the development of non-fullerene acceptors(NFAs) has led to a large number of new materials with more complex interactions. Therefore, the investigation on the morphology control mechanism is the key aspect in providing guidance for material design and device optimization. In this study, the film morphology optimization using 1,8-diiodooctane(DIO) a...     

Active Layer Morphology Engineering of All-polymer Solar Cells by Systematically Tuning Molecular Weights of Polymer Donors/Acceptors

In all-polymer solar cells (APSCs),number-average molecular weights (Mns) of polymer donors and polymer acceptors play an important role in active layer morphology and photovoltaic performance.In this work,based on a series of APSCs with power conversion efficiency of approaching 10％,we study the effect of Mns of both polymer donor and polymer acceptor on active layer morphology and photovoltaic performance of APSCs.We select poly[4-(5-(4,8-bis(5-((2-butyloctyl)thio)thiophen-2-yl)-6-methylbenzo[1,2-b:4,5-b']dithiophen-2-yl)thiophen-2-yl)-5,6-difluoro-2-(2-hexyldecyl)-7-(5-methylthiophen-2-yl)-2H-benzo[d][1,2,3]triazole](CD1) as the polymer donor and poly[4-(5-(5,10-bis(2-dodecylhexadecyl)-4,4,g,9-tetrafluuoro-7-methyl-4,5,9,10-tetrahydro3a,5,8,10-tetraaza-4,g-diborapyren-2-yl)thiophen-2-yl)-7-(5-methylthiophen-2-yl)benzo[c][1,2,5]thiadiazole](PBN-14) as the polymer acceptor.The Mns of polymer donor CD1 are 14.0,35.5 and 56.1 kg/mol,respectively,and the Mns of polymer acceptor PBN-14 are 32.7,72.4 and 103.4 kg/mol,respectively.To get the desired biscontinueous fibrous network morphololgy of the polymer donor/polymer acceptor blends,at least one polymer should have high or medium Mn.Moreover,when the Mn of polymer acceptor is high,the active layer morphology and APSC device performance are insensitive to the Mn of polymer donor.The optimal APSC device performance is obtained when the Mn of both the polymer donor and the polymer acceptor are medium.These results provide a comprehensive and deep understanding on the interplay and the effect of Mn of polymer donors and polymer acceptors in high-performance APSCs.     

有机太阳能电池性能衰减机理研究进展

近年来随着非富勒烯Y系列明星分子受体的出现, 单结有机太阳能电池的光电转换效率已经突破19%, 但是器件在运行条件下缺乏良好的稳定性, 严重制约了其商业化发展. 因此越来越多的研究聚焦于造成有机太阳能电池性能衰减的原因以及如何提高有机太阳能电池的稳定性. 由于有机太阳能电池复杂的器件结构、不尽相同的活性层材料以及在稳定性研究中条件的差异, 造成了对有机太阳能电池器件衰减研究的困难. 为了更全面地了解有机太阳能电池的衰减过程, 对近些年有机太阳能电池器件衰减过程的研究成果进行综述, 总结了由于给受体材料化学分解、活性层形貌变化、传输层和电极腐蚀以及界面反应等原因造成的器件性能衰减, 并介绍了近些年关于提高器件稳定性的一些策略, 最后对有机太阳能电池的未来发展进行了展望.     

On the Importance of Morphology Control in Polymer Solar Cells

Nanostructured polymer‐based solar cells (PSCs) have emerged as a promising low‐cost alternative to conventional inorganic photovoltaic devices and are now a subject of intensive research both in academia and industry. For PSCs to become practical efficient devices, several issues should still be addressed, including further understanding of their operation and stability, which in turn are largely determined by the morphological organisation in the photoactive layer. The latter is typically a few hundred nanometres thick film and is a blend composed of two materials: the bulk heterojunction consisting of the electron donor and the electron acceptor. The main requirements for the morphology of efficient photoactive layers are nanoscale phase segregation for a high donor/acceptor interface area and hence efficient exciton dissociation, short and continuous percolation pathways of both components leading through the layer thickness to the corresponding electrodes for efficient charge transport and collection, and high crystallinity of both donor and acceptor materials for high charge mobility. In this paper, we review recent progress of our understanding on how the efficiency of a bulk heterojunction PSC largely depends on the local nanoscale volume organisation of the photoactive layer.

     

钙钛矿太阳电池研究进展:薄膜形貌控制与界面工程

有机-无机杂化钙钛矿太阳电池因兼具低成本溶液加工和优异的光电转换性能在国际上倍受关注. 基于其吸收强、迁移率高、载流子寿命长、可调控带隙以及可采用多种方式加工等优势, 钙钛矿太阳电池在短短5年时间里, 实验室小面积器件的能量转换效率已经从低于5%提高到近20%, 模块器件的能量转换效率可达8.7%, 其效率超过了很多其他类型太阳电池, 接近可以商业化的水平. 借助于相关材料性质理解和电池设计优化, 钙钛矿太阳电池效率的进一步提升存在很大的潜力空间. 本文通过文献综述, 在回顾国内外钙钛矿太阳电池发展情况的基础上, 着重讨论影响钙钛矿太阳电池性能的其中两个重要因素: 薄膜形貌控制与界面工程, 并分析了钙钛矿太阳电池面临的基础科学问题以及展望该技术的未来前景.     

钙钛矿太阳能电池中CsPbBr3纳米晶界面修饰剂的作用机制

<正>During the past decade, organic-inorganic hybrid perovskite solar cell(PSC) has attracted great attention in the photovoltaic field 1,2. As the third-generation solar cell, PSC in laboratory has already achieved certified power conversion efficiency(PCE) exceeding 25%.