摘要：除了非富勒烯受体的设计与合成,聚合物给体的选择对非富勒烯太阳能电池的光伏性能同样重要.本工作设计并合成一种共轭骨架无sp^(3)杂化碳原子的新型非富勒受体(命名为MDB),并将其作为模型化合物研究给受体混溶性和分子有序堆积对太阳能电池性能的影响.本工作选择三种宽带隙聚合物给体(PM6、J71和P3HT)与MDB共混来制备太阳能电池.得益于MDB和PM6之间适度的混溶性,由二者组成的混合膜表现出合适的相分离,“face-on”的分子取向和更紧密有序的分子堆积,从而促进了载流子传输,并抑制了电荷复合.因此基于PM6:MDB的器件实现了13.26%的优异光电转换效率,远高于基于J71:MDB(8.16%)和P3HT:MDB(0.45%)的器件.该工作证明了给体-受体之间合适的混溶性是实现高效率有机太阳能电池的关键因素之一,这对有机光伏材料的设计与合成具有重要指导意义.

摘要：为了探究相同共轭骨架中不同位点引入不同侧链对相应小分子非富勒烯受体光电性能的影响,本文通过在中心核茚并二噻吩并[3,2-b]噻吩(IDT)单元和端基(1,1-二氰基亚甲基)绕丹宁单元上同时引入正辛基柔性侧链并以噻吩稠合苯并噻二唑(BTT)单元为“π-桥”而构建了一个新的A-π-D-π-A型非富勒烯受体(JC11).与以往研究得到的两个A-π-D-π-A型非富勒烯受体(A2和JC1)相比,在中心核和端基同时引入适宜长度的正辛基侧链不仅赋予JC11更有利的分子间堆叠,而且使JC11比在中心核引入刚性更强和空间位阻更大的己基取代苯基侧链的A1表现出了更大的吸收红移和更好的结晶度;同时也比在端基仅引入短链乙基侧链的JC1表现出了更好的溶解性能,避免了其与PTB7-Th给体共混时出现过度聚集而导致相分离尺度过大.此外, JC11在给体/受体共混膜中展现了比A2和JC1更高的摩尔消光系数(高达1.14×10~5 L·mol~(-1)·cm~(-1))和更高的电子迁移率(μe=1.01×10~(-3) cm·V~(-1)·s~(-1))以及更平衡的电子/空穴迁移率(μ_e/μ_h=2.72).因此,基于PTB7-Th∶JC11的太阳能电池器件经优化后实现了10.09%的光电转换效率(PCE)和高达24.20 mA/cm~2的短路电流密度(J_(SC)),超过PTB7-Th∶A2和PTB7-Th∶JC1优化器件8.20%和8.16%的PCE以及低于20 mA/cm~2的J_(SC)值.研究结果表明,调节共轭主链侧链是一种简单且有效的调控非富勒烯小分子受体材料的吸收性能和结晶性能的分子设计策略,可大幅提高异质结有机太阳能电池的J_(SC)和PCE.

摘要：端基结构对于有机太阳能电池(OSCs)中非富勒烯受体(NFAs)的光电性能具有重要影响.本文设计合成了3种新型芳环取代的酰亚胺结构的端基(IIC-Ph, IIC-PhBr和IIC-Ph2F),并将其用于制备受体-给体(受体)给体-受体(A-DA′D-A)型NFAs(BTP-IIC-Ph, BTP-IIC-PhBr和BTP-IIC-Ph2F).紫外-可见-近红外吸收光谱对比和理论模拟结果表明,相比于IIC-Ph端基, IIC-PhBr和IIC-Ph2F端基具有更强的吸电子能力,增强了NFAs的分子内电荷转移效应(ICT),促使了吸收红移.端基苯环上强吸电子的溴原子和氟原子的引入,降低了A-DA′D-A型受体的前线轨道能级.基于BTP-IIC-Ph, BTP-IIC-PhBr和BTP-IIC-Ph2F的二元电池分别获得了13.54%, 11.84%和11.58%的能量转换效率(PCEs).相比于BTP-IIC-PhBr和BTP-IIC-Ph2F,基于BTP-IIC-Ph的电池表现出更好的光伏性能,这主要归因于其较高的最低未占有轨道能级(LUMO)所导致的较高开路电压(VOC),以及更好的激子解离能力和更弱的陷阱辅助载流子复合.

摘要：受益于非富勒烯受体的不断发展,近年来有机光伏器件的性能得到长足进步。传统富勒烯受体有机光伏体系下建立起来的电荷拆分和能量损耗模型,不完全适用于非富勒烯受体体系。我们利用超快光谱学方法,发现在模型体系中,非富勒烯受体畴内非局域激发态代替界面电荷转移态介导了电荷拆分的空穴转移通道,在很小的驱动能下实现高效电荷拆分。非富勒烯体系中双分子复合过程在能量损耗中扮演重要角色,分子氟化设计可以改变能级排列,抑制双分子复合产生的三线态,从而抑制损耗。分子间相互作用调控关键能级位置,可用以调控非富勒烯光伏体系光电流产生机制,有效抑制损耗通道,进一步提升有机光伏体系的效率。

摘要：近年来,有机太阳能电池中非富勒烯小分子受体因其拓展了吸收光谱的范围、能够调节激子解离能量和具有灵活的给体-受体形貌等优点使得器件效率越来越接近产业化的目标.本研究借助本课题组之前构建的分子生成和性质预测的卷积神经网络模型,来生成和筛选出具有高效解离激子的前线轨道能量的新型非富勒烯小分子受体.首先生成模型经数据库充分训练并利用小数据集进行微调后生成200多个接近目标轨道能量(最高占据分子轨道(the highest occupied molecular orbital,HOMO)和最低未占据分子轨道(the lowest unoccupied molecular orbital,LUMO)的能量分别为-5.60和-3.60 eV)的分子,然后利用预测模型进一步筛选并预测分子碎片对轨道能量的贡献,接着将这些分子与数据库中具有相近前线轨道能量的分子共同聚类挑选出具有不同化学空间的10个新型受体分子,最后通过从头算验证了轨道能级、分子碎片对轨道贡献预测的准确性,并给出分子光吸收的振子强度.进一步利用生成和预测模型提供了具有另一组轨道能量(HOMO和LUMO能量分别为-5.10和-3.10 eV)的10个非富勒烯小分子,其性质预测与从头算结果一致,证明了生成和预测模型的鲁棒性和结果的可靠性.本研究预测的分子也提供了设计具有高性能非富勒烯受体分子骨架的思路.

摘要：非富勒烯受体材料在分子设计、光吸收及能级等多方面具有极其丰富的可调控性,使得基于非富勒烯电子受体的本体异质结有机太阳电池(BHJ OSC)近年得以迅速发展。P3HT聚合物作为被广泛研究的第二代有机半导体材料,其价格便宜、具有较好的结晶性以及优异的载流子传输性能,是经典的电子给体材料。本文综述了近年来以P3HT聚合物为给体、非富勒烯类有机化合物为电子受体的有机太阳电池研究进展,探讨了P3HT/非富勒烯受体BHJ OSC中,影响器件效率提升的关键因素,以及电子受体优化设计方面的相应要求。对基于P3HT/非富勒烯受体BHJ OSC器件的研究前景进行了展望。

摘要：有机太阳电池(OSCs)因具有质轻、可制备柔性、半透明器件等独特优势,在光伏建筑、新能源汽车及农业等领域中具有广阔的应用前景。近几年,通过优化给体和受体材料匹配,有机太阳电池的效率不断取得新突破。其中,近红外非富勒烯受体(NIR NFAs)材料由于在近红外区域具有较强的光子吸收能力,使光伏器件能产生很高的光电流,成为了目前的研究热点。综述了近红外非富勒烯受体材料在有机太阳电池中的研究进展,探讨了近红外非富勒烯受体材料的分子设计策略,分析了材料结构与性能之间的构效关系,介绍了该材料在三元和叠层有机太阳电池中的应用潜力。最后,从材料稳定性和制备成本两方面对未来近红外非富勒烯受体的设计进行了展望。

摘要：相比于传统的富勒烯受体,非富勒烯受体具有吸收强和能级易调等优势,因此可实现聚合物太阳电池效率的大幅提升。本专论系统总结了本课题组在非富勒烯受体方面取得的进展,介绍了两种高性能非富勒烯受体的分子设计策略,一是通过在分子内引入二面角和空间位阻作用设计的非平面型小分子受体,二是利用分子内非共价键作用构筑的类似于全稠环体系的平面型小分子受体,较好解决了制约非富勒烯受体性能的关键问题——在本体异质结中形成纳米级相分离与有效分子间π-π共轭之间的矛盾,从而获得了高效率的聚合物太阳电池。此外,这两类非富勒烯受体还拥有合成简单和形貌稳定好的特点。最后,我们还对两类非富勒烯受体今后的改进方向和发展重点做了展望。

摘要：以不同烷基取代的二噻吩并吡咯(DTP)为π桥,连接吲哒省并二噻吩(IDT)中间单元和氰基茚酮(IC)或二氟代氰基茚酮(2F-IC)末端基团,设计并合成了6个窄带隙的非富勒烯受体材料。其中,IDTDTP-C2C2-H和IDTDTP-C2C2-F中的DTP单元以1-乙基丙基为侧链,IDTDTP-C6C6-H和IDTDTP-C6C6-F中的DTP单元以1-己基庚基为侧链,IDTDTP-C12-H和IDTDTP-C12-F中的DTP单元以十二烷基为侧链。6个分子均具有较窄的光学带隙(1.37~1.44 eV)。相比于以IC为末端基团的分子(IDTDTP-C2C2-H、IDTDTP-C6C6-H和IDTDTP-C12-H),由于氟原子的拉电子效应,以2F-IC为末端基团的分子(IDTDTP-C2C2-F、IDTDTP-C6C6-F和IDTDTP-C12-F)具有红移的吸收光谱,以及更低的最高分子占有轨道能级(HOMO)和最低分子空轨道(LUMO)能级。以宽带隙聚合物聚[2,6-(4,8-双(5-(2-乙基己基))噻吩-2-基)-苯并[1,2-b:4,5-b′]二噻吩-alt-5,5-(1′,3′-二-2-噻吩)-5′,7′-双(2-乙基己基)-苯并[1′,2′-c:4′,5′-c′]二噻吩-4,8-二酮](PBDB-T)为给体材料,制备了有机太阳能电池器件。PBDB-T:IDTDTP-C6C6-F共混薄膜具有较高且更平衡的空穴/电子迁移率,以及良好的形貌,基于PBDB-T:IDTDTP-C6C6-F的有机太阳能电池获得了6.94%的能量转换效率,开路电压为0.86 V,短路电流密度为13.56 mA/cm 2,填充因子为59.5%。

摘要：大量关于有机光伏电池受体材料研究工作显示,富勒烯受体材料及其衍生物是过去十几年的研究主流,但是其可见光吸收弱,成本较高,形貌稳定性差等缺点明显,而且基于富勒烯受体的有机太阳能电池效率也已接近理论极限,难以有所突破。因此,非富勒烯受体材料的设计合成受到广泛的关注,通过化学结构裁剪,器件工艺不断优化,其与聚合物给体材料所组成的有机光伏电池的效率已超过富勒烯衍生物,近两年报道以非富勒烯类小分子作为受体材料的器件效率不断攀升,已经超过17%。通过对近几年优秀的非富勒烯受体进行综述,了解近几年非富勒烯受体材料的研究进展,总结其不同设计策略及意义。