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物理化学学报  2017, Vol. 33 Issue (12): 2327-2338    DOI: 10.3866/PKU.WHXB201706161
所属专题: 高被引科学家特刊
专论     
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
Rational Design Strategies for Polymer Donors for Applications in Non-Fullerene Organic Photovoltaic Cells
Shao-Qing ZHANG1,2,Jian-Hui HOU2,*()
1 School of Chemistry and Biology Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, P. R. China
2 State 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
 全文: PDF(2450 KB)   HTML 输出: BibTeX | EndNote (RIS) |
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    
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 acceptor    Power conversion efficiency
收稿日期: 2017-05-29 出版日期: 2017-06-16
中图分类号:  O646  
基金资助: 国家自然科学基金委(91333204);国家自然科学基金委(21325419);国家自然科学基金委(51673201);中国科学院战略性B类先导科技专项(XDB12030200)
通讯作者: 侯剑辉     E-mail: hjhzlz@iccas.ac.cn
作者简介: 张少青,北京科技大学化学与生物工程学院讲师。2017年1月毕业于北京科技大学化学与生物工程学院,获理学博士学位。主要从事新型聚合物及小分子光伏材料的设计合成与表征工作|侯剑辉,中国科学院化学研究所研究员,博士生导师。2006年6月毕业于中国科学院化学研究所,获理学博士学位。长期从事有机光伏领域的研究,主要研究方向包括新型有机光伏材料的设计合成以及高效率有机光伏器件的制备技术等
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张少青
侯剑辉

引用本文:

张少青,侯剑辉. 面向非富勒烯型有机光伏电池的聚合物给体材料设计[J]. 物理化学学报, 2017, 33(12): 2327-2338.

Shao-Qing ZHANG,Jian-Hui HOU. Rational Design Strategies for Polymer Donors for Applications in Non-Fullerene Organic Photovoltaic Cells. Acta Phys. -Chim. Sin., 2017, 33(12): 2327-2338.

链接本文:

http://www.whxb.pku.edu.cn/CN/10.3866/PKU.WHXB201706161        http://www.whxb.pku.edu.cn/CN/Y2017/V33/I12/2327

图1  几种典型受体材料的分子结构(a)与吸收光谱(b)
图2  给体材料PDBT-T1与受体材料SdiPBI-Se及其共混薄膜(质量比为1 : 1)的吸收光谱12
图3  J51与N2200的分子结构(a)与吸收光谱(b)34
图4  ITIC、PBDTTT-EFT、PBDB-T、PB3T的紫外-可见吸收光谱
图5  JIEIC,IEICO、IEICO-4F、PBDTTT-EFT、J52的分子结构(a)和紫外-可见吸收光谱(b)
图6  (a) PBQ-0F、PBQ-QF及PBQ-4F的分子结构式(b)三种给体材料与ITIC的分子能级示意图23
图7  (a)具有基本各向同性结构的PCBM与各向异性的聚合物示意图(b)给体材料PBDTBDD, PBDTBDD-T与聚合物受体材料PNDI的分子结构式19
图8  (a)聚合物PBDT-DTN与PIDT-DTN的分子结构式及(b)变温紫外-可见吸收测光谱20
图9  本文中所涉及的部分高效率聚合物给体材料分子结构式以及能级示意图
Donor Acceptor Voc/V Jsc/(mA·cm-2) FF PCE/% Ref.
表1  本文中所涉及的部分聚合物给体材料在NF-OPV中的光伏参数
图10  PBDB-T在DCB溶液中随温度变化的紫外-可见吸收光谱64
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