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非富勒烯太阳能电池发展现状(一)

供稿人:汪逸丰  供稿时间:2019-6-5   关键字:非富勒烯  异质结有机太阳能电池  受体  

非富勒烯太阳能电池是体异质结有机太阳能电池的一类受体材料,正成为环保电池领域的新希望。较富勒烯电池具有许多优势:(1)能带间隙可调度高(通常是1.2-2.2 eV),既可以将光吸收红移至近红外区,又可以蓝移至蓝光区。(2)能量补偿低(0.1 eV左右),电荷分离效率高;(3)开路电压损失小(0.5-0.6 V),非富勒烯受体能够显著减少辐射与非辐射复合,大幅降低开路电压损失;(4)非富勒烯受体分子可以自由调整平面度和结晶度,有效控制活性层的共混薄膜形貌,从而提高器件稳定性。

2015年之后,各种有关于非富勒烯太阳能电池的报导络绎不绝,而且效率也一直被刷新。目前,单节非富勒烯太阳能电池的效率值已经达到 13.1%,由化学所的侯建辉老师团队报导。这个数值已经超过了富勒烯太阳能电池最高效率值,并且这种体系的电池目前处于研究的前沿,很有可能在未来几年就突破15%的实用性指标。(见图1)

图1、每年非富勒烯太阳能电池文章数和每年最大光电转化效率(截至2017年8月)

 

资料来源:蒋旭东,基于非富勒烯受体材料的有机太阳能电池器件性能研究(硕士学位论文),2018年6月,北京交通大学。 

主流研究对象:PDI最早、ITIC最热

当前发展的非富勒烯受体根据其结构,可以归纳为两种类型:一种是主体为混合的芳香二酰亚胺的小分子受体(以NDI和PDI为代表),研发历史较久;另一种是根据内分子很强的推拉效应合成的小分子受体(以ITIC为代表),从2015年开始迅速成为焦点。 

(一)混合芳香二酰亚胺小分子受体(以PDI和NDI为代表)

混合的芳香二酰亚胺为骨架的小分子受体第一次用于异质结太阳能电池当中是在 1986 年,器件结构是双层结构。从那之后,这种骨架被认为是非富勒烯受体良好候选者。而在混合的芳香二酰亚胺的衍生物中,苝二酰亚胺 (PDI)和萘二酰亚胺(NDI)是目前被研究最火热的两种分子,主要是因为其具有很好的光吸收特性,稳定性以及合成容易等优势。

其中,苝二酰亚胺(PDI)及其衍生物被频繁用于合成非富勒烯受体,主要的考量是对其进行官能团修饰,使得可以抑制其团聚效应并且可以与聚合物搭配时有很好的溶解性(见表1)。除了小分子外,由N-甲基取代的PDI和NDI为骨架构成的聚合物也可以形成受体,搭配聚合物形成全聚合物太阳能电池,这类受体通常有着很小的带宽,例如N2200,这是一种研究非常热的聚合物受体,其能带宽度为1.46eV,可以和很多中等能带宽度的聚合物给体搭配,构成非富勒烯太阳能电池,并且已经取得了转换效率超过9%的成果。

表1:基于PDI的部分受体材料的器件性能

受体

短路电流密度(Jsc)

(mA cm-2

开路电压(Voc)

(V)

填充因子(FF)

能量转换效率(PCE)

(%)

Per1

6.56

1.02

0.55

3.67

SdiPDI

10.58

0.73

0.47

3.63

SdiPDI-S

11.98

0.90

0.66

7.16

SdiPDI-Se

12.49

0.96

0.70

8.42

SF-PDI2

5.92

0.61

0.65

2.35

S(TPA-PDI)

11.92

0.88

0.34

3.32

Ta-PDI

17.10

0.78

0.69

9.15

Por-PDI

14.5

0.78

0.66

7.4

资料来源:蒋旭东,基于非富勒烯受体材料的有机太阳能电池器件性能研究(硕士学位论文),2018年6月,北京交通大学,P14。 

(二)内分子强推拉效应合成的小分子受体(以ITIC为主)

ITIC类受体是以IDT及其衍生物的电子给体稠环为核基,INCN及其衍生物的吸电子单元为端基。最早ITIC类分子的出现是北京大学的占肖卫教授课题组在2015年以稠环骨架引达省(indacenodithiophene,IDT)为核、端基米用氰基節酮构建的A-D-A型稠环电子受体IEIC,这种电子受体在当时取得了6.31%的光电转化率。目前,单节太阳能电池的最高效率值也是这类受体的衍生物取得。此类受体搭配聚合物给体PBDB-T-SF,已经有报道取得了13.1%的转换效率。(见表2)

表2、ITIC类的部分受体材料的器件性能

受体

短路电流密度(Jsc)

(mA cm-2

开路电压(Voc)

(V)

填充因子(FF)

能量转换效率(PCE)

(%)

IEIC

13.55

0.97

0.48

6.31

ITIC

14.21

0.81

0.59

6.80

ITIC-Th

16.24

0.88

0.67

9.6

m-ITIC

18.31

0.91

0.71

11.77

ITIC-Thl

19.33

0.85

0.74

12.1

IT-4F

20.50

0.88

0.72

13.0

资料来源:蒋旭东,基于非富勒烯受体材料的有机太阳能电池器件性能研究(硕士学位论文),2018年6月,北京交通大学,P16。 

参考文献:

1、蒋旭东.基于非富勒烯受体材料的有机太阳能电池器件性能研究[D].北京交通大学,2018

2、苏强. 非富勒烯有机受体/共轭聚合物太阳能电池研究[D]. 兰州大学,2016

3、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

4、韩杰. 非富勒烯有机太阳能电池研究现状[J]. 电子世界,2018,125-126

5、屈扬坤,周林,肖胜雄. 一个飞速发展的领域:非富勒烯有机太阳能电池受体材料[J]. 上海师范大学学报(自然科学版),2016,45(6):765-773


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