用于聚合物太陽能電池的芳香亞胺類陰極修飾材料及其研究進展
發(fā)布時間：2021-02-28 23:04
聚合物太陽能電池作為一種新型太陽能電池,具有質(zhì)量輕、成本低、易于大面積制備等突出優(yōu)勢,在學術(shù)界和工業(yè)界引起了廣泛關(guān)注.近年來,聚合物太陽能電池能量轉(zhuǎn)換效率提高迅速,單結(jié)器件效率值已超過17%.在器件優(yōu)化中,構(gòu)建高效陰極有機修飾層成為提高光伏器件效率與穩(wěn)定性的重要策略之一.芳香亞胺類陰極修飾材料因具有大共軛平面、優(yōu)異的電子傳輸性能、豐富的化學修飾位點以及合適的能級等特點近年來備受關(guān)注.本文簡單介紹了陰極修飾層材料的功能,總結(jié)和評述了苝酰亞胺和萘酰亞胺類陰極修飾材料的研究進展,最后結(jié)合實際應用的要求展望了這類材料的未來發(fā)展趨勢與前景.
【文章來源】：中國科學:化學. 2020,50(08)北大核心
【文章頁數(shù)】：16 頁
【部分圖文】：
聚合物太陽能電池器件結(jié)構(gòu)圖.(a)正向結(jié)構(gòu)器件;(b)反向結(jié)構(gòu)器件;(c)聚合物太陽能電池的品質(zhì)因子(網(wǎng)絡版彩圖)
通過打印技術(shù)制備大面積器件是未來光伏產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)趨勢,這就要求活性層和修飾層材料都能通過印刷技術(shù)進行加工.2019年,侯劍輝、許博為等[29]將NDI-N作為陰極修飾層應用于較大面積的光伏器件中,將基于PBDB-T-2F:IT-4F體系的1 cm2器件的光電轉(zhuǎn)換效率提高到13.2%,這也是當時較大面積器件的最高效率之一.并且當刮涂葉片涂層中NDI-N的濃度從0.1 mg/mL增加到1 mg/mL時,器件的PCE值仍保持在10%以上,展現(xiàn)出了優(yōu)異的膜厚不敏感性.研究結(jié)果表明NDI-N兼顧了高結(jié)晶度和良好成膜性的優(yōu)點.高結(jié)晶度和緊密的分子堆積改善了NDI-N層的電子傳輸性能,而良好的成膜性使得該材料可用印刷方式進行加工.后續(xù)的研究發(fā)現(xiàn)NDI-N/IT-4F在界面處存在n摻雜現(xiàn)象,這可歸因于NDI-N分子本身的叔胺基團具有較強的路易斯堿性,使得電子更容易從NDI-N轉(zhuǎn)移到IT-4F中,形成界面偶極子層,促進陰極對電子的抽取(圖9(a)).此外,NDI-N較低的LUMO能級還使其能充當電子受體的角色(圖9(b)),促進給體/NDI-N界面處的激子解離,提高器件的JSC.4.2.2 萘酰亞胺類聚合物陰極修飾材料
圖2 苝酰亞胺化學結(jié)構(gòu)式(網(wǎng)絡版彩圖)2016年,楊小牛等[53]對PDIN分子進行季胺化,設計合成了一種水溶性的陰極修飾材料PDI-N3I(圖3),該材料具有高電導率和較強的電子提取能力,能有效降低界面處電荷積累和復合帶來的效率損耗.PDI-N3I作為陰極修飾層的PBTI3T:PC71BM器件效率可達7%,明顯高于LiF為陰極修飾層時的器件的效率(6.54%).2017年,任廣禹等[54]通過在PDI核的灣區(qū)進行稠合,合成了一種醇溶性盤狀芳香亞胺陰極修飾材料CDIN(圖3),并應用于反向器件中.研究表明,CDIN自身盤狀的共軛結(jié)構(gòu)使其在固態(tài)下具有強烈的π-π堆積,賦予了CDIN厚度不敏感的特性.除此之外,CDIN與活性層材料有良好的相容性,能夠在促進界面處電荷轉(zhuǎn)移和傳輸?shù)耐瑫r,優(yōu)化活性層的形貌,提升器件的光伏性能.使用CDIN作陰極修飾層的反向光伏器件在富勒烯體系中取得了10.62%的PCE值,在非富勒烯體系中取得了8.95%的PCE值.2018年,方俊峰等[55]通過將PDIN與丙烷磺內(nèi)酯反應,報道了一種水/醇溶性的苝酰亞胺類雙性離子PDI-Z(圖3).PDI-Z作為陰極修飾層應用于非富勒烯正向器件中,取得了74.17%的高填充因子和11.23%的高效率,且當PDI-Z層的厚度在5～22 nm范圍內(nèi)變化時,器件仍能表現(xiàn)出較為理想的光伏性能.此外,PDI-Z還可以有效修飾高功函金屬電極,使得以Ag為陰極材料的PBDB-T:IT-M器件的效率達到9.38%.
【參考文獻】：
期刊論文
[1]有機太陽電池效率突破18%（英文）[J]. 劉啟世,江宇凡,金柯,秦建強,許金桂,李文婷,熊驥,劉金鳳,肖作,孫寬,楊上峰,張小濤,丁黎明. Science Bulletin. 2020(04)
[2]聚合物太陽能電池陰極修飾層研究進展[J]. 彭瑛,李永舫. 中國科學:化學. 2017(05)
[3]富勒烯類界面修飾材料在聚合物太陽能電池中的應用[J]. 趙富穩(wěn),蔣禮,王春儒. 中國科學:化學. 2016(10)
本文編號：3056576
【文章來源】：中國科學:化學. 2020,50(08)北大核心
【文章頁數(shù)】：16 頁
【部分圖文】：
聚合物太陽能電池器件結(jié)構(gòu)圖.(a)正向結(jié)構(gòu)器件;(b)反向結(jié)構(gòu)器件;(c)聚合物太陽能電池的品質(zhì)因子(網(wǎng)絡版彩圖)
通過打印技術(shù)制備大面積器件是未來光伏產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)趨勢,這就要求活性層和修飾層材料都能通過印刷技術(shù)進行加工.2019年,侯劍輝、許博為等[29]將NDI-N作為陰極修飾層應用于較大面積的光伏器件中,將基于PBDB-T-2F:IT-4F體系的1 cm2器件的光電轉(zhuǎn)換效率提高到13.2%,這也是當時較大面積器件的最高效率之一.并且當刮涂葉片涂層中NDI-N的濃度從0.1 mg/mL增加到1 mg/mL時,器件的PCE值仍保持在10%以上,展現(xiàn)出了優(yōu)異的膜厚不敏感性.研究結(jié)果表明NDI-N兼顧了高結(jié)晶度和良好成膜性的優(yōu)點.高結(jié)晶度和緊密的分子堆積改善了NDI-N層的電子傳輸性能,而良好的成膜性使得該材料可用印刷方式進行加工.后續(xù)的研究發(fā)現(xiàn)NDI-N/IT-4F在界面處存在n摻雜現(xiàn)象,這可歸因于NDI-N分子本身的叔胺基團具有較強的路易斯堿性,使得電子更容易從NDI-N轉(zhuǎn)移到IT-4F中,形成界面偶極子層,促進陰極對電子的抽取(圖9(a)).此外,NDI-N較低的LUMO能級還使其能充當電子受體的角色(圖9(b)),促進給體/NDI-N界面處的激子解離,提高器件的JSC.4.2.2 萘酰亞胺類聚合物陰極修飾材料
圖2 苝酰亞胺化學結(jié)構(gòu)式(網(wǎng)絡版彩圖)2016年,楊小牛等[53]對PDIN分子進行季胺化,設計合成了一種水溶性的陰極修飾材料PDI-N3I(圖3),該材料具有高電導率和較強的電子提取能力,能有效降低界面處電荷積累和復合帶來的效率損耗.PDI-N3I作為陰極修飾層的PBTI3T:PC71BM器件效率可達7%,明顯高于LiF為陰極修飾層時的器件的效率(6.54%).2017年,任廣禹等[54]通過在PDI核的灣區(qū)進行稠合,合成了一種醇溶性盤狀芳香亞胺陰極修飾材料CDIN(圖3),并應用于反向器件中.研究表明,CDIN自身盤狀的共軛結(jié)構(gòu)使其在固態(tài)下具有強烈的π-π堆積,賦予了CDIN厚度不敏感的特性.除此之外,CDIN與活性層材料有良好的相容性,能夠在促進界面處電荷轉(zhuǎn)移和傳輸?shù)耐瑫r,優(yōu)化活性層的形貌,提升器件的光伏性能.使用CDIN作陰極修飾層的反向光伏器件在富勒烯體系中取得了10.62%的PCE值,在非富勒烯體系中取得了8.95%的PCE值.2018年,方俊峰等[55]通過將PDIN與丙烷磺內(nèi)酯反應,報道了一種水/醇溶性的苝酰亞胺類雙性離子PDI-Z(圖3).PDI-Z作為陰極修飾層應用于非富勒烯正向器件中,取得了74.17%的高填充因子和11.23%的高效率,且當PDI-Z層的厚度在5～22 nm范圍內(nèi)變化時,器件仍能表現(xiàn)出較為理想的光伏性能.此外,PDI-Z還可以有效修飾高功函金屬電極,使得以Ag為陰極材料的PBDB-T:IT-M器件的效率達到9.38%.
【參考文獻】：
期刊論文
[1]有機太陽電池效率突破18%（英文）[J]. 劉啟世,江宇凡,金柯,秦建強,許金桂,李文婷,熊驥,劉金鳳,肖作,孫寬,楊上峰,張小濤,丁黎明. Science Bulletin. 2020(04)
[2]聚合物太陽能電池陰極修飾層研究進展[J]. 彭瑛,李永舫. 中國科學:化學. 2017(05)
[3]富勒烯類界面修飾材料在聚合物太陽能電池中的應用[J]. 趙富穩(wěn),蔣禮,王春儒. 中國科學:化學. 2016(10)
本文編號：3056576
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