有机小分子太阳能电池与研究进展.ppt

有机小分子太阳能电池 报告人 参考文献 1 李在房 彭强 和平 王艳玲 侯秋飞 李本林 田文晶 可溶液加工给体 受体有机小分子太阳能电池材料研究进展 J 有机化学 2012 05 834 851 2 吴启超 袁小亲 陆振欢 刘勇平 杨建文 海杰峰 张灵志 太阳能电池有机电子传输材料研究新进展 J 材料导报 2016 11 44 49 67 3 任静 孙明亮 苯并二噻吩基小分子高效有机太阳能电池研究进展 J 有机化学 2016 10 2284 2300 4 张超智 顾曙铎 袁阳 徐洪飞 沈丹 李世娟 蒋威 石墨烯在有机 聚合物太阳能电池中的应用进展 J 高分子通报 2016 06 31 37 5 BaranD AshrafRS HanifiD etal Reducingtheefficiency stability costgapoforganicphotovoltaicswithhighlyefficientandstablesmallmoleculeacceptorternarysolarcells J NatureMaterials 2016 6 ZhangQ KanB LiuF etal Small moleculesolarcellswithefficiencyover9 J NaturePhotonics 2015 9 1 35 41 7 Solution processedorganictandemsolarcellswithpowerconversionefficiencies 12 MiaomiaoLi KeGao XiangjianWan XiaobinPeng YongCaoandYongshengChen NaturePhoton 2017 11 85 90 目录 一 有机小分子太阳能电池二 主要研究内容三 苯并二噻吩基小分子有机太阳能电池研究进展四 讨论 有机小分子太阳能电池 有机小分子太阳能电池 有机太阳能电池 就是由有机材料构成核心部分 基于有机半导体的光生伏特效应 通过有机材料吸收光子从而实现光电转换的太阳能电池 有机物半导体材料按分子量分为高聚物和小分子 有机半导体材料为小分子时 称为有机小分子太阳能电池 小分子有机太阳能电池 有机材料特点 1 化学可变性大 可通过多种途径来改变分子结构 从而调整材料的光电性质和提高载流子的传输能力 2 加工容易 可大面积成膜 3 原料来源广泛 价格便宜 成本低廉 4 可制备成柔性薄膜 易加工成各种形状以适应不同环境的使用因此 有机材料被广泛地应用在太阳能电池领域 有机太阳能电池材料也就成为了近十几年来的研究热点 同聚合物相比较 有机小分子 1 具有明确的分子结构2 固定的分子量3 较高的纯度4 较好的重复性这些特点使其在有机太阳能电池中更加受到人们的青睐 小分子有机材料可以作为有机电子传输材料 也可以作为给体 受体 D A 材料 给体 受体 D A 型有机小分子材料表现出较宽的吸收光谱 较好的空气稳定性 易于调节的能级水平和光电性质 已经成为有机太阳能电池研究的新的增长点 有机小分子太阳能电池 几种研究较多的小分子 1 苯并二噻吩基有机小分子 2 2 1 3 苯并噻二唑类给 受体有机小分子 3 氰基类给体 受体有机小分子 4 基于吡咯并吡咯二酮构建的给体 受体有机小分子 5 基于份菁 硼络合二吡咯和方酸构建的给体 受体有机小分子 6 基于其它吸电子基团构建的给体 受体有机小分子 与聚合物有机光电器件 POPV 相比 小分子有机光电器件 SM OPV 有许多重要优势 1 分子结构统一 差异性更少 2 一般具有更高的开路电压 Voc 3 空穴迁移率一般高于相应的聚合物材料 4 可以通过控制分子的化学结构调整能 主要研究内容 主要问题 1 如何在尽量不降低开路电压Voc和填充因子FF的前提下 尽可能提高短路电流密度Jsc 2 小分子化学结构与器件物理性能间的相关性如何 3 光伏器件活性层形貌控制与优化问题 4 器件稳定性问题 5 受体材料较贵 是否可以尝试使用相对经济高效的非富勒烯受体 目前BDT基PSC聚合物分子设计主要集中在BDT的侧链修饰与受体单元的选择优化 苯并二噻吩基小分子有机太阳能电池研究进展 聚合物太阳能电池 PSC 聚合物中的给体单元种类繁多 主要包括 1 噻吩2 二噻吩并 2 3 b 4 5 d 噻咯 DTS 3 苯并 1 2 b 4 5 b 二噻吩基 BDT 4 咔唑5 芴等 与其他给体构筑单元相比 BDT单元具有大的刚性平面共轭结构 提高了 电子的离域能力和分子间的 相互作用 且BDT单元容易进行化学修饰 方便合成 且BDT光伏材料光电效率很高 成为目前有机太阳能电池给体材料研究中的一个 明星分子 单元 在有机太阳能电池方面表现出巨大潜力 鉴于BDT单元在聚合物太阳能电池上取得巨大进步 人们开始尝试把它作为分子核心来构建可溶液加工的有机小分子 并探讨它们在有机太阳能电池上的应用 苯并二噻吩基小分子有机太阳能电池研究进展 目前 以BDT单元为中心构筑单元的小分子 其分子模型主要包括如下两类 其中 R1可以是烷氧 烷硫链 也可以是共轭的含噻吩 苯酚 硒酚等的侧链 R2是封端集团 如氰基乙酸辛酯 罗丹宁等 Acceptor是受体单元 如吡咯并吡咯二酮 DPP 二噻吩苯并噻二唑 DTBT 噻吩并吡咯二酮 TPD 等 苯并二噻吩基小分子有机太阳能电池研究进展 1BDT n Thiophene TerminalGroup 1 1一维侧链修饰的BDT n Thiophene TerminalGroup一维侧链即烷氧 烷硫等不含共轭基团的侧链 以下通过特定的分子对比 简要讨论不同修饰单元对OSC性能的影响 1 2二维侧链修饰的 BDT n Thiophene terminalgroup 苯并二噻吩基小分子有机太阳能电池研究进展 1 1 1BDT核的修饰作用BDT结构单元由于其较大的刚性共轭平面结构 能大大提高电子离域及固相间的 连接 有效提高器件电荷传输 将中心的噻吩单元替换为富电子的BDT单元 吸电子能力较强的氰基乙酸辛酯作为封端基团 合成了小分子DCAO3T BDT 3T 与DCAO7T相比 可溶液加工小分子DCAO3T BDT 3T表现出的PCE为5 44 FF Voc也有相应提高 DCAO7T DCAO3T BDT 3T化学结构与器件性能见图 这说明在高效共轭SM OSC中 BDT单元具有重大潜力 苯并二噻吩基小分子有机太阳能电池研究进展 1 1 2侧链原子的影响与氧原子相比 硫原子具有较弱的给电子能力 烷硫侧链一直被应用于有机半导体中 它表现出一些独特的光电特性和更有序的分子排列 烷硫取代的BDT小分子表现出更加优秀的光电性能 在其他部分不变的情况下 用烷硫侧链取代烷氧侧链合成了名为DR3TSBDT的小分子 从图可以看出 与DR3TBDT相比 DR3TSBDT的Jsc FF有了明显提高 通过热处理和溶剂蒸发退火处理 最高效率达到9 95 由于薄膜吸收大大增强和器件形貌分布均衡 使得效率大大提升 苯并二噻吩基小分子有机太阳能电池研究进展 1 1 3封端基团的影响Chen课题组分别将氰基乙酸辛酯和3 乙基罗丹宁连接在一维BDT两端 合成了名为DCAO 3TBDT和DR3TBDT的A D A型小分子 与氰基乙酸辛酯作为封端基团的DCAO3TBDT相比 3 乙基罗丹宁的引入DR3TBDT吸光能力大大加强 使其获得了较高的Jsc PCE达到7 38 DCAO3 TBDT DR3TBDT的化学结构与器件性能见图 苯并二噻吩基小分子有机太阳能电池研究进展 1 1 4主链上噻吩数量的影响DCAO5TBDT是在DR3TBDT的骨架上加入了两个噻吩共轭单元 共轭长度的增加使Voc明显降低 0 79V FF明显上升 这说明增加PCE的关键就是保证Voc和FF较大的情况下增大Jsc DCAO3TBDT DCAO5TBDT的化学结构及器件性能见图 苯并二噻吩基小分子有机太阳能电池研究进展 1 2二维侧链修饰的 BDT n Thiophene terminalgroup 1 2 1烷氧侧链与含噻吩侧链的区别Chen等将DR3TBDT中心核的一维烷氧链换成了二维共轭的噻吩侧链 合成了名为DR3TBDTT的小分子 化学结构与器件性能见图 结果发现 在BDT上引入噻吩会引起吸收光谱红移 Jsc和FF增加 不经处理的情况下Voc为0 91V Jsc为13 15mA cm2 FF为62 8 PCE为7 51 在活性层材料中加入少量的聚二甲硅氧烷 PDMS 改善成膜性后 各性能参数均有显著提高 其中PCE达到8 12 苯并二噻吩基小分子有机太阳能电池研究进展 1 2 2侧链噻吩上烷基链长度影响Chen等以二维BDT为中心构筑单元 3 乙基罗丹宁为封端基团合成的两个小分子DR3TBDTT和DR3TBDTT HD 除侧链噻吩上的烷基链不同外 其余全部一致 化学结构及器件性能见图 通过对比发现 DR3TBDTT HD的Jsc FF显著下降 PCE也从8 12 降到了6 79 这可能是因为由于烷基侧链过长引起扭曲 导致分子平面性下降所致 苯并二噻吩基小分子有机太阳能电池研究进展 1 2 3侧链噻吩个数影响DR3TBDTT HD和DR3TBDT2T分别在BDT上引入一个噻吩和两个噻吩 二者的化学结构与光电性能如图所示 说明BDT侧链二维共轭修饰单元的增加使带隙变窄 Voc从0 96V下降到0 92V Jsc和FF都显著提高 PCE也从6 79 增加到了8 02 同时导致了吸收光谱的红移 苯并二噻吩基小分子有机太阳能电池研究进展 1 2 4主链上噻吩数量的影响Li等以二维BDT为中心构筑单元 1 3 茚二酮为封端基团 中间用噻吩 桥连接获得了名为D1和D2的小分子 这两个小分子都溶于常见有机溶剂 吸收波长在450 740nm HOMO能级在 5 16 5 19eV 与含一个噻吩 桥的D1相比 联噻吩做 桥的D2表现出了更好的光电性能 空穴迁移率更高 吸光性能也更好 PCE从5 67提高到了6 75 如图所示 苯并二噻吩基小分子有机太阳能电池研究进展 1 2 5侧链噻吩上F原子取代的影响2016年 Wang等将F原子引入BDT侧链噻吩上 合成了小分子DR3TBDTTF 与DR3TBDTT比 F原子的引入降低了HOMO能级 载流子迁移率增加 相应的PCE也从9 18 提高到9 80 DR3TBDTT与DR3TBDTTF的化学结构与器件性能见图 苯并二噻吩基小分子有机太阳能电池研究进展 2Acceptor BDT Acceptor2 1一维侧链修饰的 Acceptor BDT Acceptor2 2二维侧链修饰的 Acceptor BDT Acceptor 苯并二噻吩基小分子有机太阳能电池研究进展 2 2二维侧链修饰的 Acceptor BDT Acceptor2 2 1噻吩 桥影响2014年 Yao等以二维BDT为中心构筑单元 吡咯并吡咯二酮 DPP 为受体 合成了名为BDT T DPP和BDT T 2T DPP的小分子 BDT T 2T DPP分子骨架上增加了一个噻吩作 桥 这两个小分子以非富勒烯小分子苝酰亚胺 噻吩 乙二醇 PDI T EG 为受体 制备了活性层 由于骨架多引入一个噻吩后 平面性和堆积能力变差 小分子BDT T DPP和BDT T 2T DPP晶粒大小分别为30 50nm和10 30nm BDT T DPP获得较高的PCE是因为相分布适中 有利于电荷传输 小分子BDT TDPP BDT T 2T DPP的化学结构与器件性能见图 苯并二噻吩基小分子有机太阳能电池研究进展 2 2 3侧链苯环的影响Yang等以苯环修饰BDT为中心构筑单元 DPP为受体合成了小分子BDT PO DPP BDT O DPP BDT PO DPP化学结构与器件性能如图 苯环的存在会增加分子内的电子离域 分子骨架的扭转加剧 使分子热稳定性增强 分子自聚集减少 BDT PO DPP的光电性能明显优于BDT O DPP 二者PCE分别为5 63 和4 28 结论部分 苯并 1 2 b 4 5 b 二噻吩由于具有均匀共面的共轭结构 易于饰 电子离域性好 空穴迁移率高等优点 以BDT为中心构筑单元的小分子和