一个飞速发展的领域:非富勒烯有机太阳能电池受体材料
非富勒烯有机受体-共扼聚合物太阳能电池的研究
非富勒烯有机受体-共扼聚合物太阳能电池的研究非富勒烯有机受体/共扼聚合物太阳能电池的研究近年来，太阳能电池作为一种可再生清洁能源的利用方式，备受研究者的关注。
在太阳能电池中，有机聚合物作为可拓展、低成本的替代材料，逐渐取代了传统的无机材料。
而在有机聚合物中，非富勒烯有机受体/共扼聚合物体系因其优异的光电转换性能而备受瞩目。
非富勒烯有机受体/共扼聚合物体系以其高效的电荷传输、宽带隙以及可调制的分子结构等特点，被广泛应用于太阳能电池的研究中。
与传统的有机受体（如富勒烯）相比，非富勒烯有机受体的分子结构更加灵活多样，这使得其在吸光特性和电荷传输过程中具有更高的调控性。
同时，非富勒烯体系具有更大的共轭度、更低的带隙能量以及更好的光电转换效率，因此在太阳能电池中展示出了更好的性能。
与非富勒烯有机受体相结合的共扼聚合物是另一个关键因素。
共扼聚合物作为电子传输材料，能够提供更多的电子传输通道，从而有效提高太阳能电池的光电转换效率。
此外，共扼聚合物的添加还可以调控太阳能电池的膜形态，在形成连续的电荷传输通道的同时提高了载流子的迁移率。
在非富勒烯有机受体/共扼聚合物太阳能电池的研究中，除了合适的材料选择外，界面性质的优化也是提高效率的关键。
界面性质的优化可以通过调控过程和材料结构的方式来实现。
例如，通过合理的溶剂选择和处理方法，可以在材料之间形成紧密的接触，提高电子传输效率。
此外，界面材料的引入还可以增加电子传输通道的数量，优化载流子的迁移。
在材料的合成和器件工艺的改进上，目前还有一些挑战与瓶颈需要克服。
例如，非富勒烯有机受体的合成方法复杂，制备成本较高，还需要进一步降低材料成本。
此外，器件的稳定性和尺寸的可扩展性也需要进一步改进。
总结起来，非富勒烯有机受体/共扼聚合物太阳能电池的研究展示出了潜在的高效能源转换性能。
在材料的选择、界面性质的优化以及合成工艺的改进等方面，还存在着一些挑战和需求进一步解决。
通过持续的研究和不断的改进，相信非富勒烯有机受体/共扼聚合物太阳能电池将在未来成为一种重要的可再生能源转换技术综上所述，非富勒烯有机受体/共扼聚合物太阳能电池具有潜力成为一种高效的可再生能源转换技术。
骨架非稠合的非富勒烯受体
骨架非稠合的非富勒烯受体占肖卫【期刊名称】《物理化学学报》【年(卷),期】2019(035)004【总页数】2页(P351-352)【作者】占肖卫【作者单位】北京大学工学院材料科学与工程系,北京 100871【正文语种】中文相对于富勒烯类电子受体，新型非富勒烯受体具有吸光能力强，能级和结构可调等优点，对于提升有机太阳电池光电转换效率具有重要意义。
近年，基于稠环结构的电子受体(FREAs)受到了国内外研究者们最多的关注 1,2。
这一类分子具有良好的骨架平面性，高度离域的电子结构和强聚集倾向的末端基团有利于分子间的π-π堆积和电荷转移。
另外，基于FREAs体系的有机太阳电池能量损失也可以低至0.4-0.5 eV 3。
基于以上稠环结构的设计策略，科研人员设计并合成了许多稠环电子受体，所制备的有机太阳电池器件效率突破了 14% 4。
然而，我们注意到FREAs骨架通过化学键联稠合，往往需要涉及多步的化学反应，合成成本偏高。
并且目前各个课题组的研究方向更是在分子结构中并入了更多的芳环或者使用更复杂的稠环结构，其合成的难度还会成倍增大 5,6。
随着电池效率的不断提高，简化分子结构，降低合成成本对实现有机太阳电池的规模应用具有重要的应用价值。
浙江大学陈红征教授研究团队尝试简化FREAs的结构，提出采用非稠合环核作为构筑单元，利用分子内氢键构筑非富勒烯受体，成功制备了效率超过11%的有机太阳电池7,8，但其化学结构中仍包含了复杂的稠环结构。
如何使用巧妙的化学设计来避免复杂的稠环结构的使用，简化合成步骤，并且保留FREAs的优势，值得进一步研究。
最近，该团队进一步设计了一种结构简单的骨架非稠合的电子受体分子(ICTP)，中心骨架仅有一个苯环和两个噻吩环；同时利用该团队之前掌握的碳氢活化技术 9，简单高效地合成了目标产物，并成功将其应用到了有机太阳电池中。
该工作已在物理化学学报上在线发表(doi: 10.3866/PKU.WHXB201805091) 10。
非富勒烯有机太阳能电池
非富勒烯有机太阳能电池
非富勒烯有机太阳能电池是一种新型的有机太阳能电池，与传统的富勒烯有机太阳能电池相比，具有更高的光电转换效率和更好的稳定性。
富勒烯有机太阳能电池是目前应用最广泛的有机太阳能电池，其主要原理是利用富勒烯作为电子受体，将太阳能转化为电能。
然而，富勒烯有机太阳能电池存在着一些问题，如光吸收范围窄、电子传输速度慢、稳定性差等。
非富勒烯有机太阳能电池则采用了新型的电子受体材料，如PTB7-Th、PBDTTT-EFT等，这些材料具有更宽的光吸收范围和更好的电子传输性能，从而提高了光电转换效率。
同时，非富勒烯有机太阳能电池还采用了新型的电子给体材料，如ITIC、IEICO等，这些材料具有更好的稳定性和更长的寿命。
非富勒烯有机太阳能电池的研究还处于起步阶段，但已经取得了一些重要的进展。
例如，2018年，中国科学院化学研究所的研究团队报道了一种新型的非富勒烯有机太阳能电池，其光电转换效率达到了12.25%，比传统的富勒烯有机太阳能电池有了显著的提高。
非富勒烯有机太阳能电池具有广阔的应用前景，可以用于太阳能电池板、智能手机、电子书、电子纸等领域。
随着技术的不断进步和研究的深入，相信非富勒烯有机太阳能电池将会成为未来太阳能电
池领域的重要发展方向。
非富勒烯受体材料
非富勒烯受体材料非富勒烯受体材料是当今有机太阳能电池领域中备受关注的一类新型有机材料。
与传统的富勒烯材料相比，非富勒烯受体材料具有很多优点，如更低的光电子失配、更高的吸收系数、更好的电子迁移和互作用、更好的光化学稳定性和更好的机械强度等。
因此，非富勒烯受体材料被认为是开发高效稳定的有机太阳能电池的重要方向之一。
非富勒烯受体材料主要是指那些不含富勒烯结构的有机分子，例如芴基、喹啉基、苯并咔啉基、噻吩基、三嗪基、吡啶基等。
这些材料具有广泛的化学结构和多样化的电子特性，可以在一定程度上调节其光电属性，从而实现对太阳能电池性能的优化。
非富勒烯受体材料通常与另一种有机分子，受体材料共同组成电池的活性层。
相比于富勒烯受体材料，非富勒烯受体材料可以提供更好的电子传输性能和光化学稳定性，从而带来更高的光电转换效率和更好的长期稳定性。
到目前为止，非富勒烯受体材料已经在有机太阳能电池中取得了令人瞩目的进展。
例如，采用非富勒烯受体材料作为活性层的有机太阳能电池的光电转换效率已经从不到1%上升到了超过17%，与传统的富勒烯受体材料相比性能得到了巨大的提升。
同时，非富勒烯受体材料还可以实现更低的成本、更好的机械可加工性和更好的大面积可制备性等优点，因此在工业化应用中具有更广阔的前景。
尽管非富勒烯受体材料在有机太阳能电池领域中已经取得了重要进展，但是与富勒烯受体材料相比，非富勒烯受体材料还存在一些问题亟待解决。
例如，非富勒烯受体材料的合成工艺比较复杂、成本较高，且还存在光稳定性和电池性能的不稳定性等问题。
因此，未来需要进一步探索新的非富勒烯受体材料的合成方法和改善其稳定性，以便更广泛地应用于光电器件领域。
总的来说，非富勒烯受体材料是有机太阳能电池领域中备受关注的一类新型材料。
它们不仅具有优异的光电性能，而且具有更低的成本、更好的可加工性和更广泛的应用前景。
未来的研究方向应该是进一步寻找新型非富勒烯受体材料，并探索高效稳定的制备方法和优化电池性能的方式，以便将这些材料更广泛地应用于有机太阳能电池领域。
有机太阳能电池的研究现状和应用前景
有机太阳能电池的研究现状和应用前景有机太阳能电池是一种新型的太阳能电池。
相较于传统的硅基太阳能电池，有机太阳能电池具有更低的成本和更好的可塑性，可以在各种形状和物品上应用。
目前，有机太阳能电池正在得到越来越多的研究和应用。
一、有机太阳能电池的研究现状有机太阳能电池利用有机半导体材料的光电效应将太阳能转化为电能。
与硅基太阳能电池相比，有机太阳能电池具有成本低、轻薄柔韧、生产工艺简单等特点。
在过去的几十年中，研究人员一直在探索有机太阳能电池的性能和制造方法，我们对有机太阳能电池的认识越来越深入。
有机太阳能电池最初的研究始于20世纪80年代，当时研究者发现染料敏化太阳能电池可以使用有机分子代替原始的染料。
之后，有机太阳能电池就逐渐引起了人们的广泛关注。
然而，直到21世纪初，有机太阳能电池的效率才有了较大的提高。
现在，科学家们已经开发出了许多种类、结构和形状的有机太阳能电池。
其中，非富勒烯有机太阳能电池是目前最具潜力的一种。
2014年以前，有机太阳能电池的最高转换效率一直停留在10%以下，但是随着非富勒烯有机太阳能电池的出现，转换效率得到了重大提高，从而使得有机太阳能电池更加实用。
二、有机太阳能电池的应用前景有机太阳能电池的应用前景非常广阔。
由于其成本低，所以它可以广泛应用于各种领域。
目前，有机太阳能电池已经在众多领域有了应用。
1.智能建筑有机太阳能电池可以嵌入到玻璃、塑料和纸张等材料中，从而用于智能建筑中。
有机太阳能电池不仅可以为智能建筑提供电能，还可以在墙壁、窗户和屋顶上实现光伏发电，并可以与智能家居系统进行连接。
2.便携式电子设备有机太阳能电池适用于便携式电子设备，例如智能手机、笔记本电脑和平板电脑等。
相较于传统的锂电池，有机太阳能电池成本更低，并且可以更加灵活，因此它在便携式电子设备上应用的前景非常广阔。
3.户外运动器材有机太阳能电池也可以用于户外运动器材，例如智能手表、智能眼镜和智能手环等。
这些电子产品由于长时间使用，其电池寿命较短，而有机太阳能电池可以在户外充电，从而更加实用。
《基于Y6非富勒烯受体光伏和忆阻器件界面问题及性能优化研究》范文
《基于Y6非富勒烯受体光伏和忆阻器件界面问题及性能优化研究》篇一基于Y6非富勒烯受体光伏与忆阻器件界面问题及性能优化研究一、引言近年来，随着科技的不断进步，Y6非富勒烯受体光伏器件和忆阻器件在光电子领域中受到了广泛的关注。
Y6非富勒烯受体材料因其独特的光电性能和良好的稳定性，在光伏器件中具有巨大的应用潜力。
然而，在光伏器件和忆阻器件的界面问题以及性能优化方面仍存在诸多挑战。
本文将针对基于Y6非富勒烯受体的光伏和忆阻器件界面问题展开研究，并提出相应的性能优化策略。
二、Y6非富勒烯受体光伏器件界面问题（一）界面结构与能级匹配Y6非富勒烯受体光伏器件的界面结构对光电器件的性能具有重要影响。
界面处能级匹配问题直接关系到电荷传输效率及器件的稳定性。
目前，界面处存在的能级不匹配问题会导致电荷传输过程中产生较大的能量损失，进而影响光伏器件的效率。
（二）界面缺陷与电荷复合界面缺陷是影响Y6非富勒烯受体光伏器件性能的另一个关键因素。
界面处的缺陷可能导致电荷复合，降低光电器件的开路电压和填充因子，从而影响其光电转换效率。
此外，界面缺陷还可能引发器件的稳定性问题。
三、Y6非富勒烯受体忆阻器件界面问题（一）界面电阻与导电性能Y6非富勒烯受体在忆阻器件中应用时，其与其它材料组成的界面电阻直接关系到忆阻器件的导电性能。
界面的电阻对忆阻效应的产生及维持具有重要意义，合适的界面电阻可以保证忆阻器具有良好的开/关比和稳定性。
（二）界面材料兼容性Y6非富勒烯受体与其它材料之间的兼容性是影响忆阻器件性能的另一个关键因素。
不同材料之间的界面相互作用可能影响电荷传输过程，进而影响忆阻器的性能。
因此，选择合适的界面材料对提高忆阻器性能具有重要意义。
四、性能优化策略（一）优化界面结构与能级匹配针对Y6非富勒烯受体光伏器件的界面问题，可以通过优化界面结构、调整能级匹配等方式来提高电荷传输效率。
例如，通过引入适当的界面修饰材料或调整器件制备工艺来改善能级匹配问题。
一种含有苯并三氮唑类共轭聚合物及其制备方法与在非富勒烯聚合物太阳能电池中的应用
一种含有苯并三氮唑类共轭聚合物及其制备方法与在非富勒烯
聚合物太阳能电池中的应用
该共轭聚合物是苯并三氮唑类聚合物，可以通过以下制备方法获得：
1. 采用合成苯并三氮唑单体。
先将苯并三氮唑基团与适当的化合物进行反应，生成苯并三氮唑单体。
2. 聚合反应。
在适当的溶剂中，将苯并三氮唑单体与另一种合适的单体一起进行聚合反应，生成含有苯并三氮唑基团的共轭聚合物。
在非富勒烯聚合物太阳能电池中，该共轭聚合物可以作为给体材料或受体材料的一部分。
作为给体材料时，该共轭聚合物能够吸收太阳光并产生电子-空穴对，随后将电子传输到受体材料中，从而实现光生电荷分离和电荷转移。
作为受体材料时，该共轭聚合物能够接收来自给体材料的电子，并进一步将电子传输到电池电极上。
通过这样的电荷转移过程，可实现太阳能电池的光电转换功能。
该共轭聚合物具有高效的光电转换性能和稳定性，可以应用于非富勒烯聚合物太阳能电池中，提高电池的能量转换效率。
有机太阳能电池的活性层调控和电子传输层优化
摘要有机太阳能电池因其重量轻、制备工艺简单、柔韧性好及易实现大面积加工等优势被认为是最有前途的绿色能源技术之一。
该领域亟待解决的问题是如何提高有机太阳能电池的能量转换效率，而优化活性层与界面层是提高有机太阳能电池性能的关键。
为此，本论文为提高有机太阳能电池的能量转换效率，研究了高结晶性小分子对聚合物/富勒烯有机太阳能电池活性层形貌的影响、萘酰亚胺类聚合物受体材料的分子结构与光伏性能的关系、SnO2电子传输层厚度和形貌对器件光伏性能的影响。
主要分为以下三个部分：（1）高结晶性小分子调控聚合物/富勒烯有机太阳能电池活性层形貌本文将高结晶度的小分子（ITDCN/ITDCF）引入到PBDB-T:PC71BM活性层中，制备了三元共混的有机太阳能电池。
在不同共混比例下（ITDCN/ITDCF相对于PBDB-T的质量比，由5%逐渐增加到30%），三元混合器件最优质量比例分别为PBDB-T:ITDCN:PC71BM=0.85:0.15:1、PBDB-T:ITDCF:PC71BM=0.80:0.20:1的器件获得了更高更平衡的电子、空穴迁移率（电子/空穴迁移率的比值分别为1.09和1.14）。
性能最优的ITDCN三元光伏器件的J SC为12.78 mA·cm-2、V OC为0.83 V、FF为63.02%、PCE为6.68%，比相应的二元器件的效率提高了24%。
原子力显微镜（AFM）和透射电子显微镜（TEM）表明，添加适量的具有高度结晶性的小分子能够有效调控聚合物/富勒烯体系有机太阳能电池活性层的薄膜形貌，从而达到纳米级的相分离，有利于激子的解离和电荷的运输，提高其光电转换效率。
（2）萘酰亚胺类聚合物受体材料的合成及其光伏性能研究在众多的聚合物受体材料中，萘酰亚胺（NDI）类聚合物因较大的共轭骨架与强吸电子能力而具有较高的迁移率、较大的极性、较低电子云密度与较好的稳定性，因而表现出非常优秀的光伏性能。
为提高HOMO，减小其带隙，增加吸收，本文用甲氧基取代硒吩为给电子单元合成了聚合物（PNDIS-HD-OMe）。
有机太阳能电池材料与性能研究
有机太阳能电池材料与性能研究近年来，随着对可再生能源的需求不断增加，太阳能电池作为一种绿色环保且可持续发展的能源技术备受关注。
有机太阳能电池因其具有低成本、高柔性和轻量化等特点，成为研究的热点之一。
本文将重点探讨有机太阳能电池的材料和性能研究。
一、有机太阳能电池材料的选择有机太阳能电池的核心是光敏电极材料，其作用是吸收太阳光并将其转化为电子。
目前，常用的光敏电极材料主要包括聚合物和小分子两类。
聚合物材料是有机太阳能电池研究中的重要组成部分。
聚合物材料具有较高的吸光性、柔性和可调控性等优势，能够实现低成本、大面积和高效率的能量转化。
目前，常见的聚合物材料有聚噻吩、聚苯乙烯等。
其中，聚噻吩材料具有较高的光电转化效率和稳定性，是较为理想的光敏电极材料。
小分子材料是有机太阳能电池的另一种重要材料类型。
小分子材料具有结构单一、易纯化和简化工艺等优势，能够实现高效率的电能转化。
近年来，通过合理设计小分子材料的结构，不断提高其光电转化效率和稳定性。
例如，富勒烯衍生物C60是一种常用的小分子材料，具有良好的载流子迁移性能，被广泛应用于有机太阳能电池中。
二、有机太阳能电池性能的研究有机太阳能电池的性能研究是提高其光电转化效率和稳定性的关键。
其主要包括以下几个方面的研究。
1. 光吸收和光敏电极界面的研究光吸收是有机太阳能电池中的第一步，直接影响到光能的捕获和转化效率。
因此，研究光敏电极的能带结构、界面形貌和吸光性能等，对提高光电转化效率具有重要意义。
2. 载流子传输和收集的研究载流子的传输和收集是有机太阳能电池中的关键过程，直接影响到电池的输出性能。
因此，通过控制光敏电极材料的结构和界面特性，提高载流子的迁移性和收集效率，能够有效提高电池的光电转化效率。
3. 稳定性和寿命的研究稳定性和寿命是有机太阳能电池应用中的重要考虑因素。
由于有机材料的化学稳定性较差，受到光、热、空气等外界因素的影响。
因此，研究材料的稳定性和寿命，通过改善材料的制备工艺和界面工程等手段，提高电池的稳定性和寿命，对实现商业化应用具有重要意义。
富勒烯材料的应用
富勒烯材料的应用富勒烯是一种由碳原子构成的球形分子，由于其独特的结构和特性，具有广泛的应用前景。
以下是富勒烯材料的几个重要应用领域：1.材料科学领域：富勒烯具有优秀的电子传输、机械强度和热稳定性，使其成为一种重要的材料。
它可以用于制备高效率的太阳能电池、显示屏、半导体材料、超导材料、传感器等。
富勒烯可以增强聚合物的导电性和机械性能，用于制备高强度、高导电性的复合材料。
此外，富勒烯也可以用于制备高分子材料的光电功能薄膜，如透明导电薄膜。
2.药物领域：富勒烯具有良好的生物相容性和低毒性，对人体无害。
研究表明，富勒烯可以作为药物载体用于传递和释放药物。
由于富勒烯具有较大的表面积和空腔结构，可以在内部和外部吸附药物，形成稳定的复合物。
此外，富勒烯还具有抗氧化性能，可以用于制备抗氧化剂和抗癌药物。
目前，富勒烯已经在癌症治疗、抗病毒和抗菌领域得到广泛应用。
3.环境保护领域：富勒烯可以作为一种高效的吸附剂，用于净化水源和空气。
富勒烯分子的球形结构和大的表面积使其能够与各种污染物发生相互作用，吸附和去除有害物质。
富勒烯可以吸附重金属离子、有机物和毒性化学物质，如汞、铅、苯并芘等。
此外，富勒烯还可以用于制备高效的催化剂，用来降解和去除环境中的污染物。
4.能源领域：富勒烯具有良好的电子传输性能和光学性能，可以用于制备高效的光电器件。
富勒烯可以作为光敏材料，制备太阳能电池或光电转换器件。
富勒烯作为电子传输材料，在光伏器件中具有良好的电荷传输能力和较高的电子迁移率，可以提高光电器件的效率。
此外，富勒烯还可以作为催化剂用于制备氢能源和其他可再生能源。
总的来说，富勒烯材料具有广泛的应用领域，包括材料科学、药物领域、环境保护和能源领域。
随着对富勒烯性质和制备方法的进一步研究，相信富勒烯的应用前景会更加广阔。
聚合物材料在光伏电池中的应用研究
聚合物材料在光伏电池中的应用研究随着能源危机和环境问题的日益突出，可再生能源逐渐成为人们关注的焦点。
太阳能光伏电池作为可再生能源的重要组成部分，具有广阔的应用前景。
然而，传统的硅基光伏电池存在成本高、重量大和制造过程复杂等问题。
为了克服这些限制，研究人员开始关注聚合物材料在光伏电池中的应用。
聚合物材料是由多个相同或不同的单体分子通过化学键连接而成的高分子化合物。
与传统的无机材料相比，聚合物材料具有许多优势，如轻量、柔性、可加工性强、低成本等。
这些优势使得聚合物材料成为光伏电池领域的热点研究对象。
在聚合物材料中，共轭聚合物是最常见的材料之一。
共轭聚合物通过共轭结构形成了扩展的π电子共轭体系，使得它们能够有效地吸收光能，并转化为电能。
此外，共轭聚合物还具有调节光电性能的能力，通过改变材料结构和化学修饰，可以调控吸收光谱范围和能带结构。
这种可调控性为光伏电池的效率提升提供了新的途径。
聚合物材料在光伏电池中的应用主要包括有机太阳能电池（organic solar cells，OSC）和染料敏化太阳能电池（dye-sensitized solar cells，DSSCs）。
有机太阳能电池是利用有机半导体材料将光能转化为电能的一种光伏装置。
聚合物半导体材料作为这类太阳能电池的关键元件，负责光吸收、电荷传输和光电转换等功能。
聚合物材料的光电特性以及纳米结构的控制对有机太阳能电池的性能有着重要影响。
近年来，采用不同的共轭聚合物材料和非富勒烯电子受体，有机太阳能电池的转换效率不断刷新纪录，并逐渐接近商业化应用的水平。
然而，提高有机太阳能电池的长期稳定性和制造过程的可扩展性仍然是一个挑战。
染料敏化太阳能电池是利用染料吸收光子产生电荷，然后通过电解质传递电荷，最终转化为电能的光伏装置。
传统的染料敏化太阳能电池使用钛酸盐作为电子受体，但具有昂贵和稳定性差的缺点。
聚合物材料作为新型电子受体，具有低成本、可调控性强的优势，被广泛应用于染料敏化太阳能电池的研究中。
聚合物太阳能电池用富勒烯电子受体材料的设计
昆明理工大学课程设计专用纸聚合物太阳能电池用富勒烯电子受体材料的设计摘要聚合物太阳能电池因其制作工艺简单、成本低、重量轻和柔性好等优点而备受人们的关注。
近年来，聚合物太阳能电池取得较快的发展，其中，光伏材料的研究进展起着至关重要的作用，尤其是给体材料的发展带动了聚合物太阳能电池较快的发展。
目前，人们主要致力于给体材料的优化，而对受体材料的研究却比较少，以至于目前使用得最普遍的电子受体材料仍然是[6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯(PC60 BM)和与其对应的C70衍生物PC 70 BM。
然而，P C60 BM 和PC 70 BM 存在一些缺点，比如，与常见的给体材料相比，它们的LUMO 轨道相对较低；还有，它们在可见区的吸收较弱。
因此，设计和合成出具有高的LUMO轨道和在可见区具有较强吸收的新型富勒烯衍生物是非常重要的。
关键词：聚合物太阳能电池富勒烯电子受体AbstractPolymer solar cells have attracted great attention due to their advantages of easy fabrication，low cost，lightness and flexibility．Materials development has played a vital role in the dramatic improvement of polymer solar cells performance in recent years，and this is driven primarily by the advancement of conjugated polymer donormaterials．While most material development efforts have been dedicated to optimizing the donor materials，significantly less attention has been placed on acceptor materials which to date remain dominated by fullerene derivatives[6, 6]-phenyl-C61-butyric acid methylester(PC60BM)and itscorresponding C 70 derivative P C 70BM．However,PC60BM and P C BM have some drawbacks such asrelatively low LUMO energy levels compared with70those of common donors and weak visible absorption．So，it is very important to design and synthesize new fullerene derivatives with up。
有机太阳能电池空穴传输材料的研究进展
有机太阳能电池空穴传输材料的研究进展袁峰;周丹;谌烈;徐海涛;陈义旺【摘要】有机太阳能电池是新一代固态薄膜电池,报道的能量转化效率已接近15％,成为可再生能源领域的研究热点.空穴传输材料是构成有机太阳能电池的重要组成部分,对有机太阳能电池的能量转换效率和稳定性有重要影响.目前应用于有机太阳能电池的空穴传输材料分为无机空穴传输材料和有机空穴传输材料两大类.无机空穴传输材料的可选择范围较窄,电池加工工艺相对苛刻.开发各类能级匹配、空穴迁移率高的有机空穴传输材料是提高有机太阳能电池能量转换效率和稳定性的有效手段,是目前的开发重点.本文主要综述了有机空穴传输材料分子结构对有机太阳能电池能量转换效率、填充因子、开路电压、短路电流和稳定性的影响,并对其能级、空穴迁移率、添加剂的使用等进行了讨论.最后详细论述了有机空穴传输材料未来的研究重点和发展趋势.【期刊名称】《功能高分子学报》【年(卷),期】2018(031)006【总页数】10页(P530-539)【关键词】有机太阳能电池;空穴传输材料;能级;能量转换效率【作者】袁峰;周丹;谌烈;徐海涛;陈义旺【作者单位】南昌航空大学材料科学与工程学院 ,南昌330063;南昌航空大学材料科学与工程学院 ,南昌330063;南昌大学化学学院 ,南昌330031;南昌航空大学材料科学与工程学院 ,南昌330063;南昌大学化学学院 ,南昌330031;南昌大学化学学院 ,南昌330031【正文语种】中文【中图分类】O631能源和环境问题是当前人类面临的两个最紧迫问题，低碳经济是当今最热门的话题。
太阳能是取之不尽、用之不竭的绿色能源，将太阳能转换成电能的太阳能电池是解决能源和环境问题、发展低碳经济的途径之一。
目前研究和开发的太阳能电池有：单晶硅、多晶硅、碲化镉和铜铟镓硒薄膜半导体、有机太阳能电池等。
前几种无机太阳能电池已经实现了商品化，能量转换效率介于22%～31%，但其缺点是电池制备成本高、原材料生产过程能耗高、污染重，这大大限制了其推广应用。
非富勒烯有机太阳能电池研究进展从器件物理到磁场效应
第41卷第12期2020年12月发光学报CHINESE JOURNAL OF LUMINESCENCEVol.41No.12Dec.,2020文章编号：1000-7032(2020)12-1598-16非富勒烯有机太阳能电池研究进展:从器件物理到磁场效应张彩霞，张湘鹏，张家豪，王恺*(北京交通大学理学院，光电子技术研究所，发光与光信息教育部重点实验室，北京100044)摘要：非富勒烯受体(NFA)材料是现阶段非常受欢迎的有机光电材料之一。
基于非富勒烯受体的有机体异质结(BHJ)太阳能电池发展迅速，其单结能量转换效率(PCE)现已达到18%。
有机半导体中单线态与三线态在磁场作用下的相互转换会影响其电子-空穴的解离与复合，从而对光伏性能有一定的影响。
此外，三线态激子寿命和扩散距离较长，三线态-电荷反应的几率较大，增加光电流，使得三线态材料对于光伏性能的提高具有一定的作用。
因此，本文主要从以下几个方面对非富勒烯有机太阳能电池进行叙述,首先讨论了有机太阳能电池中电荷分离、重组及能量损失对开路电压的影响;其次总结了有机太阳能电池磁场下自旋依赖的光物理过程及三线态材料在有机太阳能电池中的应用,了解二者对提高光伏性能的影响;最后对有机光伏性能的进一步提高以及有机半导体磁场下的自旋问题进行了展望。
关键词：非富勒烯有机太阳能电池；电荷分离与重组；能量损失；磁场效应；三线态受体材料中图分类号：TM914.4文献标识码：A DOI：10.37188/CJL.20200314Advances in Non-fullerene Organic Solar Cells:from Device Physics to Magnetic Field EffectsZHANG Cai-xia,ZHANG Xiang-peng,ZHANG Jia-hao,WANG Kai*(Key Laboratory qf厶uminescence and Optical Information,Ministry qf Education,Institute of Optoelectronic Technology,School of Science,Beijing Jiaotong University,Beijing100044,China)*Corresponding Author,E-mail:kaiwang@Abstract:Non-fullerene acceptor materials are one of the most popular organic optoelectronic materials at present anic bulk heterojunction(BHJ)solar cells based on non-fullerene accep-tors(NFAs)have been developing rapidly,and their single-junction power conversion efficiencies (PCE)have reached18%.The mutual conversion between singlets and triplets in organic semiconductors under the magnetic field will affect the dissociation and recombination for electrons and holes,thereby will have a certain impact on the photovoltaic performance.Moreover,the triplet excitons have a longer lifetime and diffusion distance,as well as higher probabilities for the tripletcharge reaction,which gives rise to the photocurrent,so that the triplet material has a certain effect on the improvement of photovoltaic performance.Thus,this article mainly discusses non-fullerene organic solar cells from the following aspects.Firstly,to discuss the effect of charge separation, recombination and energy loss on the open-circuit voltage；secondly,to talk about the spin-dependent photophysical process for the organic solar cells under the magnetic field and the application of the triplet materials in organic solar cells,both of which influence the improvement of photovoltaic 收稿日期：2020-10-20；修订日期：2020-11-02基金项目：国家自然科学基金(61634001,L1601651,11942413)；科技部国家重点研发计划国际间合作项目(2019YFE0108400)资助Supported by National Natural Science Foundation of China(61634001,U1601651,11942413)；Intergovernmental CooperationProject,National Key Research and Development Program,Ministry of Science and Technology,China(2019YFE0108400)第12期张彩霞，等：非富勒烯有机太阳能电池研究进展:从器件物理到磁场效应1599performance；finally,a prospective for further improvements of the organic photovoltaic performance and the spin problem under the organic semiconductor magnetic field will be given.Keywords：non-fullerene organic solar cells；charge separation and recombination；energy losses；magnetic field effects；triplet acceptor materials1引言非富勒烯受体(Nonfullerene acceptors,NFAs)分子具有合成相对简单、易于纯化、带隙可调节等优点,成为非常有潜力的有机光电材料之一，在半透明［1］、柔性［2-3］有机太阳能电池(Organic solar cells,OSCs)方面具有重要的研究意义和应用前景。
富勒烯在新型太阳能电池中的应用
2、提高石墨烯太阳能电池的稳定性：尽管石墨烯具有很高的载流子迁移率 和透光性，但其稳定性仍然需要进一步提高。未来的研究应如何提高石墨烯太阳 能电池在各种环境条件下的稳定性，包括温度、湿度和紫外线等。
3、探索新型石墨烯太阳能电池结构：除了目前主流的结构外，还应探索新 型的石墨烯太阳能电池结构，以进一步提高其光电转换效率和发电能力。
总的来说，石墨烯在太阳能电池中的应用展示了其巨大的潜力和广阔的前景。 这种材料在提高光电转换效率、提升载流子迁移率和实现透明太阳能电池等方面 都具有显著的优势。然而，为了充分实现石墨烯在太阳能领域的应用价值，我们 仍需要对石墨烯的性质和制备方法进行更深入的研究和优化。
四、未来研究方向
1、优化石墨烯制备方法：当前，石墨烯的制备主要依赖于化学气相沉积和 剥离法等工艺。这些方法在制备大面积、高质量的石墨烯方面仍存在挑战。未来 的研究应致力于开发新的制备技术，以满足大规模生产的需求。
2、载流子迁移率高：富勒烯分子具有很高的电子迁移率，使得光生载流子 能够快速地传输到收集电极，降低了能量损失。
3、长寿命：富勒烯分子的稳定性使其制备的太阳能电池具有较长的使用寿 命，有的甚至可达到传统太阳能电池的2-3倍。
三、富勒烯太阳能电池的优势与 应用领域
与市面上其他类型的太阳能电池相比，富勒烯太阳能电池具有以下优势：
四、结论
富勒烯作为一种优秀的碳分子材料，在新型太阳能电池的研发中展现出巨大 的潜力。富勒烯太阳能电池具有高光电转换效率、长寿命、环保等优势，可广泛 应用于建筑、交通、农业、公共设施等领域。随着技术的不断进步和应用的拓展， 富勒烯太阳能电池将成为未来绿色能源产业的重要发展方向。让我们期待富勒烯 在新型太阳能电池领域中的更多突破，为未来的可持续发展贡献力量。
不同烷基侧链取代的扭曲苯并苝酰亚胺的合成及在非富勒烯太阳能电池中应用
摘要摘要体相异质结（BHJ）太阳能电池由于具有可折叠可溶液加工的性质成为人们的研究热点之一，高性能受体材料的发展对太阳能电池效率快速提高起到至关重要的作用。
传统富勒烯类受体材料具有成本高，在可见光吸收弱和难以修饰的缺点，然而，非富勒烯太阳能电池受体材料能有效的克服这些缺点。
本研究首次在扭曲苯并苝酰亚胺（TBDPDI）的氮端引入不同的烷基侧链，成功的合成了5种不同的化合物（C5、C8、C11、C20、C23），并对其溶解性，光学性质，电化学及在体相异质结太阳能电池（BHJ）中的应用性能探究。
扭曲的苯并苝酰亚胺小分子是一种优异的非富勒烯受体材料，因其具有大的刚性共轭核和强的吸收。
为了探究侧链对半导体材料的影响，我们在TBDPDI 的氮端分别引入了不同的烷基侧链（1-乙基丙基、2-乙基己基、1-戊基己基、2-辛基十二烷基、1-十一烷基十二烷基），在溶液中，具有1位点支化烷基链的化合物（C5、C11、C23）与2位点支化烷基链的化合物（C8、C20）相比，后者显示出了强的聚集能力，导致了不同的吸收曲线和荧光强度，然而，烷基链对分子的能级和光学带隙几乎没有影响，通过循环伏安和固体紫外证实，由于它们与PCE10给体有互补的吸收和匹配能级，这些化合物和PCE10一起制作成本体异质结（BHJ）太阳能电池的活性层。
对于C20和C23，具有100 nm大的相分离尺寸和较大的绝缘链导致了其低的电子迁移率µe（10-8 cm2 V-1 s-1）和光电转化效率，在优化条件下，具有1-戊基己基侧链的化合物C11，由于其合适的相分离尺寸及约20 nm聚集域和高的µe（10-6 cm2 V-1 s-1）获得5%效率。
关键词：苝酰亚胺；非富勒烯太阳能电池；溶液加工；有机半导体AbstractABSTRACTBulk heterojunction (BHJ) solar cells become a hot research topic, because they are solution processable and flexible. Excellent acceptors play an important role in the development of BHJ solar cells. Traditional fullerene derivatives as widly used acceptors have disadvantages such as high cost, weak visible absorption, and the difficult modification. Nonfullerene acceptors can overcome above shortcomings.Herein, we synthesized five twisted benzodiperylenediimides (C5, C8, C11, C20, C23) with different side-chains at the nitrogen atom for the first time. Their solubility，photophysical properties, electrochemical characters, and applications in BHJ solar cells were investigated.Twisted benzodiperylenediimides with large rigid conjugated core and strong absorption is an excellent acceptor in non-fullerene solar cells. Since side chains of semiconductors play a crucial role in the solar cells, TBDPDI acceptors with different side chains (1-ethylpropyl; 2-ethylhexyl; 1-pentylhexyl; 2-octyldodecyl; 1-undecyldodecyl) were synthesized. In solution, TBDPDI compounds with alkyl chains branched at 1-position compounds (C5, C11, and C23) show significantly different absorption profiles and fluorescence intensity with those branched at 2-position compounds (C8 and C20), due to stronger aggregation of the latter. Nevertheless, alkyl chains have little effect on the molecular orbital energy levels and optical band gaps, as verified by cyclic voltammetry and solid state absorption. Due to their complementary absorption and matchable energy levels with donor of PCE10, these acceptors and PCE10 were used together to fabricate bulk heterojunction (BHJ) solar cells. Because of inferior phase separation with large domain size around 100 nm and bulky insulated side chains, acceptors with long alkyl chains (C20 and C23) have the low electron mobility (μe) around 10-8 cm2 V-1 s-1and the low power conversion efficiency (PCE) of solar cells. TBDPDI with 1-pentylhexyl (C11) gives the highest PCE of 5.0% under the optimized condition, which is attributed to proper phase separation with domain size around 20 nm andAbstracthighest μe of 10-6 cm2 V-1 s-1.Key Words: Perylene diimide; Non-fullerene solar cells; Solution-processed;Organic semiconductor目录目录第1章绪论 (1)1.1引言 (1)1.2有机太阳能电池 (1)1.3苝酰亚胺及衍生物在有机光伏中的应用 (8)1.3.1 未修饰的苝酰亚胺在太阳能电池应用 (8)1.3.2非平面港湾位修饰苝酰亚胺在有机光伏中应用 (10)1.3.3 3D结构苝酰亚胺衍生物在有机光伏中应用 (15)1.3.4 氮端修饰苝酰亚胺二聚体在有机光伏中应用 (17)1.3.5 苝酰亚胺的聚合物在有机光伏中应用 (17)1.4选题的目的与意义 (19)第2章不同烷基侧链取代的扭曲苝酰亚胺的合成 (21)2.1引言 (21)2.2实验部分 (23)2.2.1实验原料及试剂 (23)2.2.2主要仪器设备 (24)2.2.3具体合成路线 (24)2.2.4具体合成步骤 (26)2.3实验结果与讨论 (29)2.4本章小结 (30)第3章不同烷基侧链取代的扭曲苝酰亚胺光电性质及其应用 (31)3.1紫外光谱 (31)3.2荧光光谱 (32)3.3电化学性质 (33)3.4热稳定性 (35)3.5体相异质结太阳能电池器件性能 (35)目录3.5.1化合物（TBDPDI）和PCE10共混膜紫外吸收光谱 (36)3.5.2太阳能电池器件结构 (37)3.5.3载流子迁移率 (39)3.5.4 化合物TBDPDI和PCE10共混膜荧光淬灭效率研究 (41)3.5.5化合物TBDPDI和PCE10共混膜形貌研究 (43)3.6本章小结 (48)第4章结论与展望 (49)致谢 (50)参考文献 (51)附录A 部分化合物的核磁谱图 (56)攻读学位期间的研究成果 (61)第1章绪论第1章绪论1.1 引言清洁和可再生能源的探索是21世纪科学和技术的一大挑战，通过光伏利用太阳能获得电能是解决全球环境问题的一个非常好的方案，并且太阳能的可用性远远超过任何潜在的对未来能量需求。
《基于Y6非富勒烯受体光伏和忆阻器件界面问题及性能优化研究》
《基于Y6非富勒烯受体光伏和忆阻器件界面问题及性能优化研究》篇一基于Y6非富勒烯受体光伏与忆阻器件界面问题及性能优化研究一、引言随着科技的不断进步，非富勒烯受体光伏器件以及忆阻器件作为新一代电子设备的重要组成部分，在光电器件领域的应用日益广泛。
Y6非富勒烯受体材料因其独特的光电性能和低成本特性，在光伏器件中展现出巨大的应用潜力。
然而，其在与忆阻器件界面结合过程中仍存在诸多问题，制约了器件整体性能的发挥。
本文将重点研究基于Y6非富勒烯受体的光伏和忆阻器件的界面问题，并提出相应的性能优化策略。
二、Y6非富勒烯受体光伏器件概述Y6非富勒烯受体光伏器件以其高效率、低成本、环境友好等优点受到广泛关注。
Y6材料在光伏器件中的应用，极大地提高了光电转换效率。
然而，在实际应用中，Y6材料与其它材料之间的界面问题成为制约其性能发挥的关键因素。
三、界面问题及影响（一）界面能级不匹配Y6材料与其他材料之间的能级不匹配是导致界面问题的重要因素。
这种不匹配会导致电荷传输过程中的能量损失，进而影响光伏器件的效率和稳定性。
（二）界面缺陷和杂质界面处的缺陷和杂质会严重影响电荷的传输和分离，导致光伏器件性能下降。
此外，这些缺陷还可能成为复合中心，进一步降低光电转换效率。
（三）界面化学反应Y6材料与其他材料在界面处可能发生化学反应，形成不利于电荷传输的化合物。
这些化合物会降低光伏器件的性能，甚至导致器件失效。
四、性能优化策略（一）界面工程优化通过界面工程优化，改善Y6材料与其他材料之间的能级匹配，减少能量损失。
同时，通过表面修饰、引入中间层等方法，降低界面处的缺陷和杂质，提高电荷传输效率。
（二）材料选择与改良选择与Y6材料相容性好的其他材料，以改善能级匹配和减少界面反应。
同时，对Y6材料进行改良，提高其与其他材料的相容性，降低界面处的能量损失。
（三）工艺优化通过优化制备工艺，如控制薄膜厚度、改善热处理条件等，降低界面处的缺陷和杂质，提高光伏器件的性能。
富勒烯在新型太阳能电池中的应用
富勒烯在新型太阳能电池中的应用一、引言随着全球能源消耗量的增加，人们对可再生能源的需求也越来越大。
太阳能电池作为一种绿色环保型的新型能源，正在逐渐得到广泛应用。
而富勒烯作为一种新型材料，具有优异的光电性质和独特的结构特征，被广泛应用于太阳能电池领域。
二、富勒烯概述富勒烯是由60个碳原子组成的球形分子，其结构类似于足球表面上的六边形和五边形相互交替排列。
富勒烯具有优异的光电性质和化学稳定性，被广泛应用于太阳能电池、传感器、催化剂等领域。
三、太阳能电池原理太阳能电池是将光能转化为电能的装置。
其基本原理是利用半导体材料吸收光子后产生电子-空穴对，并通过p-n结将其分离并收集，从而产生电流。
四、富勒烯在太阳能电池中的应用1. 富勒烯作为受体材料在有机太阳能电池中，富勒烯被广泛应用于受体材料。
由于其球形结构和高度对称性，富勒烯可以与光吸收层中的电子-空穴对有效结合，从而提高光电转换效率。
此外，富勒烯还具有优异的电子传输性能和化学稳定性，可以有效提高太阳能电池的稳定性和寿命。
2. 富勒烯作为导体材料在染料敏化太阳能电池中，富勒烯被用作电子传输材料。
由于其优异的导电性能和化学稳定性，富勒烯可以有效地将光生载流子从染料吸收层传输到阳极，并提高太阳能电池的效率和稳定性。
3. 富勒烯作为防反射涂层在硅基太阳能电池中，富勒烯可以作为防反射涂层。
由于其球形结构和高度对称性，富勒烯可以有效地抑制光的反射，并提高太阳能电池的光吸收率。
五、未来展望随着科技的不断发展和研究的深入，富勒烯在太阳能电池领域的应用前景将会越来越广阔。
未来，富勒烯可能会被应用于更多类型的太阳能电池中，并成为太阳能电池领域的重要材料之一。
六、结论富勒烯作为一种新型材料，具有优异的光电性质和化学稳定性，在太阳能电池领域中具有广泛的应用前景。
通过对其在受体、导体和防反射涂层等方面的应用，可以有效提高太阳能电池的效率和稳定性。
未来，随着科技的不断发展和研究的深入，富勒烯在太阳能电池领域将会得到更加广泛的应用。
《基于Y6衍生物非富勒烯基有机太阳能电池热稳定性研究》范文
《基于Y6衍生物非富勒烯基有机太阳能电池热稳定性研究》篇一一、引言随着全球对可再生能源需求的不断增长，有机太阳能电池（Organic Solar Cells, OSC）作为一种新兴的绿色能源技术，正受到越来越多的关注。
其中，非富勒烯基有机太阳能电池（Non-fullerene based Organic Solar Cells）以其高效率、低成本和可调谐性等优点，逐渐成为研究热点。
Y6衍生物作为一种重要的非富勒烯受体材料，其在提高电池效率和热稳定性方面具有重要意义。
本文将针对基于Y6衍生物的非富勒烯基有机太阳能电池的热稳定性进行研究和分析。
二、Y6衍生物及其在有机太阳能电池中的应用Y6衍生物作为一种典型的非富勒烯受体材料，其独特的化学结构和电子性质使其在有机太阳能电池中具有广泛应用。
Y6衍生物具有良好的光吸收性能、电荷传输能力和成膜性能，可以与给体材料形成有效的电荷分离和传输，从而提高太阳能电池的光电转换效率。
此外，Y6衍生物还具有良好的热稳定性，能够在高温环境下保持较好的性能。
三、热稳定性研究方法与实验设计为了研究基于Y6衍生物的非富勒烯基有机太阳能电池的热稳定性，我们设计了以下实验方案：1. 制备不同温度处理后的Y6衍生物薄膜，通过紫外-可见吸收光谱、电化学阻抗谱等手段，分析其光学和电学性能的变化。
2. 制备基于Y6衍生物的有机太阳能电池，在不同温度下进行热处理，观察其电流-电压曲线、外量子效率等性能参数的变化。
3. 利用原子力显微镜、扫描电子显微镜等手段，观察Y6衍生物薄膜的形貌变化，以及电池内部结构的演变。
4. 通过理论计算，分析Y6衍生物的分子结构和电子性质对其热稳定性的影响。
四、实验结果与分析1. 光学和电学性能分析通过对不同温度处理后的Y6衍生物薄膜进行紫外-可见吸收光谱和电化学阻抗谱分析，我们发现Y6衍生物薄膜在较高温度下仍能保持良好的光学和电学性能。
随着温度的升高，其吸收光谱和电化学性能虽有所下降，但整体趋势仍然稳定。
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一个飞速发展的领域：非富勒烯有机太阳能电池受体材料屈扬坤;周林;肖胜雄【摘要】Organic solar cells have been extensively investigated in the last decade because they are one of the very important so -lutions to the global energy crisis .While predominant electron acceptor materials for organic solar cell are focused on fullerene and its derivatives,scientists are now more desperately looking for new alternative acceptor materials because fullerene acceptors face the challenges of narrow absorption spectrum ,low solubility,high cost and non-environmental friendly synthesis processes .Non-fullerene electron acceptors have drawn great attention recently and have been widely used in organic solar cells because they have the great advantages of wide absorption spectrum ,high solubility ,precise structural controllability ,and good processability .In this review paper ,we summarize the most significant progresses in the area of non-fullerene organic solar cell acceptors during the last 6 years and we look forward to a bright future of non-fullerene organic solar cells .%有机太阳能电池作为解决能源问题的重要手段之一,2006年以来得到了深入的研究.其电子受体材料较多地局限在富勒烯及其衍生物领域,由于其光谱吸收窄、溶解性差、成本高、生产过程中环境不友好等问题,迫使科学家们寻找新的受体材料.近年来,非富勒烯电子受体材料吸引了科学家们的关注.非富勒烯受体材料的光谱吸收宽,溶解性好,结构可控,易加工等特点决定了其在有机太阳能电池领域有广泛的应用.综述了2011年以来非富勒烯有机太阳能电池受体材料领域的进展,并对其将来的发展进行了展望.【期刊名称】《上海师范大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2016(045)006【总页数】9页(P765-773)【关键词】有机太阳能电池;非富勒烯受体材料;非富勒烯有机光伏器件【作者】屈扬坤;周林;肖胜雄【作者单位】上海师范大学生命与环境科学学院,上海200234;上海师范大学生命与环境科学学院,上海200234;上海师范大学生命与环境科学学院,上海200234【正文语种】中文【中图分类】O756随着人类社会的不断发展与进步,能源问题与环境问题日益成为摆在人类面前的最大危机.为解决这一危机,科学家们研究发展了很多所谓“清洁能源”.而作为清洁能源中最有发展前景的能源,太阳能日益受到科学家们的关注与青睐.太阳能在不久的将来是最有希望替代化石能源的能源,其最大的优点在于无限的来源和对环境最小的危害.目前,最成熟的、已经商业化的太阳能电池主要是基于硅基材料的无机太阳能电池,但是其具有高成本,生产过程中有严重污染以及不宜制成柔性器件等缺陷.虽然无机太阳能电池具有高达40%的能量转换效率(PCE),但是由于上述缺陷,其常被人称为灰色能源[1-2].有机太阳能电池逐渐进入科学家们的视野.有机太阳能电池(OPVs)分为聚合物太阳能电池(PPVs)和小分子太阳能电池(SM-OPVs).目前,有机太阳能电池常用的结构如图1所示,即为体异质结太阳能电池(bulk-heterojunction solar cell).该种结构的优点在于电子给体材料(Donor)和电子受体材料(Acceptor)在活性层中充分混合,有利于激子的分离.最早的有机太阳能电池可以追溯到20世纪70年代末,柯达公司的Tang[3]使用铜酞菁和苝四酰二亚胺类有机材料组成有机太阳能电池,其效率仅为0.95%,与无机太阳能电池相差较远.随着科学技术的发展与进步,目前,有机太阳能电池的PCE已经超过10%,提高了10倍,特别是2011～2016年,有机太阳能电池蓬勃发展,效率从不到5%提高到10%以上[4].1992年,Sariciftci[5]等在Nature杂志上发表论文,发现将富勒烯(C60)与共轭聚合物充分混合,在光激发下,会发生超快光诱导电子转移现象.自此,富勒烯作为有机太阳能电池的受体材料得到了广泛的研究.2012年,Yang[6]等首次报道了富勒烯作为受体材料制作串联叠层OPV器件,得到PCE大于10%的聚合物太阳能电池.香港理工大学的颜河等[7]在2016年报道了一例基于富勒烯衍生物的单层体异质结OPV器件(PffBT4T-C9C13:PC71BM),其PCE达到11.7%.但是富勒烯及其衍生物具有光谱吸收窄、溶解性差、成本高、生产过程中环境不友好等问题,严重制约了有机太阳能电池的进一步发展.因此,发展其他类型的受体材料成为科学家们的目标.近年来,科学家们设计合成了多种多样的小分子受体材料,此类材料具有结构明确、可控性强的等特点,其光谱吸收可以通过调控其结构来进行调节.本文作者综述了2011～2016年非富勒烯有机太阳能电池的发展,并对其将来的发展进行了展望. 2011～2016年,非富勒烯有机太阳能电池领域发展迅速,本文作者以fullerene-free和non-fullerene为关键词在scifinder上查询,发现在2011～2016年这6年里,2011年有4篇相关文献,2012年没有相关文献,2013年6篇,2014年17篇,2015年31篇,2016年1～8月有38篇.可以发现,本领域的发展极其迅速.并且,非富勒烯有机太阳能电池的电池效率也迅速提高(图2).从图2中可以清楚的看到,非富勒烯有机太阳能电池的PCE从2011～2016年提高了一个数量级,已经达到商用太阳能电池的标准[1].可以预见,在不久的将来,非富勒烯有机太阳能电池将会走进千家万户,提供清洁无污染的电能.下面分别对几类新型非富勒烯有机太阳能电池受体材料的最新进展进行介绍.1.1 酰胺类电子受体材料由于羰基具有极强的拉电子作用,酰胺类材料具有明显的N型半导体材料的性质,在有机场效应晶体管领域被深入地研究.Tang[3]在20世纪七八十年代对这类材料的有机电子性能做出了开创性工作.那么能否将这类材料应用在有机太阳能电池受体材料领域呢？答案是肯定的.近年来研究最为深入的电子受体材料即为酰胺类电子受体材料,特别是萘四酰亚二胺(NDI)和苝四酰亚二胺(PDI)(图3).NDI和PDI具有4个羰基,拉电子效果明显,是良好的有机电子受体材料,并且可以通过修饰R基团以及苯环来改变其溶解性和光谱吸收,它们的稠环体系使得它们具有良好的π-π堆积性质,这对有机太阳能电池形貌学具有十分重大的意义.1.1.1 NDI类电子受体材料萘四酰亚二胺与苝四酰二亚胺相比,苯环上氢的空间位阻较小,能通过Stille偶联等反应与噻吩等具有优异电子性能的基团链接,并且能形成聚合物,这使得NDI能通过噻吩等基团桥联形成电子受体聚合物,并与聚噻吩等给体聚合物形成全聚合物有机太阳能电池(all-polymer organic solar cells).Yan[8]等在2009年发展了一种电子受体材料P(NDI2OD-T2),亦被称之为N2200(图4).Jung[9]等使用DTP-DPP)(图5)为电子给体材料,分别和PC71BM和P(NDI2OD-T2)混合制成有机太阳能电池,PCE分别达到6.88%和4.82%.这是截止目前,NDI类电子受体材料达到的非叠层OPV的最高PCE之一.另一个NDI类电子受体的例子是将NDI与两种不同的噻吩类化合物同时做Stille 偶联反应,得到三种不同的聚合物,其化学结构如图6所示.Li等[10]将这种混合物与PTB7-Th进行混合制备非叠层OPV,其PCE值达到4.86%.在非富勒烯电子受体的研究刚起步之时,科学家们大量使用P3HT和PTB7-Th等基于富勒烯及其衍生物发展的电子给体材料.随着研究的深入,科学家们开始根据非富勒烯的结构与性质,研究电子给体材料.Kim等[11]使用N2200与PDBTTT-C和PDBTTT(图7)CT两种聚合物给体材料制备全聚合物太阳能电池,发现由于这两张不同的聚合物有不同的侧链,导致其堆积方式不同,进一步导致器件的形貌不同,其PCE 值分别为1.56%和2.78%.这为进一步发展不同的给/受体材料提供了思路.1.1.2 PDI类电子受体材料PDI类电子受体材料是研究最为深入彻底的小分子电子受体材料.以PDI类材料制作的电池的PCE值,从Tang[3]于1985年得到的0.95%一直发展到Nuckolls等[12]于2015年得到的8.30%.PDI类材料何以吸引众多科学家的目光？简单地对其化学结构进行分析.如图3所示,PDI类材料可以使用不同的R基团,来调控其不同的溶解性和堆积性能,而湾位可以连接不同的取代基来调控其能级,并且可以通过共价键将PDI单元连接成寡聚物以增大其共轭程度,改变其吸收光谱.Nuckolls等[12]以溴取代PDI和反式-1,2-双(三丁基锡)乙烯为底物,通过Stille偶联反应连接成寡聚物,接下来通过Mallory 光环化反应,使其达到共轭结构,得到h-PDI(图8).将h-PDI与PTB7-Th制成体异质结太阳能电池,优化条件,得到最高的PCE值为8.30%.这是PDI类电子受体材料达到的最高PCE值之一.这种材料能达到较高PCE值的原因在于:首先,合适的R基团保证了其溶解性能;其次,共轭平面的扭曲和R基团共同限制了其堆积方式,使其能与PTB7-Th形成较好的共混程度,有利于激子的产生和分离.其后的研究也较多地关注于对共轭平面的破坏,减少堆积程度.另一种抑制PDI单元聚集的方式为在PDI单元中间用噻吩基团隔开,即“PDI-噻吩-PDI”模式.Yao[13]等设计了一种噻吩取代的苯并噻吩连接的PDI类电子受体材料(图9).与PBDTTT-C-T混合制成OPV器件,其最高PCE值达到4.03%,是当时PCE最高的非富勒烯有机太阳能电池.在上述结构中,噻吩单元与PDI单元是以单键的形式连接的,单键的旋转程度较大,不利于控制器件的形貌.Zhong等[14]将噻吩单元与PDI单元通过FeCl3氧化关环,2个PDI单元共轭成1个大平面,大幅度降低2个PDI单元之间的二面角,得到FPDI-T(图10).将FPDI-T与PTB7-Th混合制成OPV器件,PCE值达到6.72%,比未关环的PDI-T(3.68%)提高了近一倍.1.1.3 其他酰亚胺类电子受体材料酰亚胺类电子受体材料的电子性能十分优异,关键在于羰基的拉电子效应,科学家们将酰亚胺单元连接在一些其他基团上.Hwang等[15]将酰亚胺单元与稠环单元连接形成DBFI-EDOT(图11),然后将其与PSEHTT和PBDTT-FTTE混合,制成OPV器件,其PCE值达到8.52%.1.2 芴及其衍生物类电子受体材料芴类化合物由于其独特的结构,即刚性平面联苯结构,有着优异的光电性能,在电致发光(LED)等领域有广泛的应用[16].从结构上看(图12),芴类化合物的2、7、9位非常活泼,能引入很多修饰基团,这使得芴类化合物在很多领域有着潜在的应用前景,如有机电致发光(OLED)、生物传感等领域.芴类化合物有较高的化学稳定性和热稳定性,并且有较高的带隙能、空穴传输率和荧光量子产率.这意味着芴类化合物在OPV领域有广泛的应用.南开大学的陈永胜等以二辛基芴为核设计了一种DICTF[17]电子受体类材料(图13),辛基的引入提高了其溶解性,两端的噻吩取代基调整了其电子结构.将DICTF与PTB7-Th混合制成体异质结OPV,其PCE值为7.93%.北京大学的占肖卫等基于芴类化合物,设计发展了IEIC[18]和ITIC[19]类电子受体材料(图14).这两种化合物,特别是ITIC的设计合成综合体现了近年来科学家们对非富勒烯受体材料的理解.首先中心的稠环体系提供了较好的电子传输性能和基本的光电子性能,其次,两个芴类单元提供了化合物的溶解性,降低了自堆积趋势有利于形成较好的活性层形貌,最后,两端的强吸电子基团扩展了化合物的光谱吸收范围.这三个条件基本上涵盖了小分子电子受体材料的所有必须条件.占肖卫[18-19]等使用PTB7-Th分别与IEIC和ITIC复合,得到的OPV的PCE值分别达到了6.31%和6.8%,其中PTB7-Th:ITIC的6.8%是当时非富勒烯有机太阳能电池的最高纪录.中国科学院化学研究所的侯剑辉等[20]使用该组于2013年开发的给体材料PBDB-T(图15)与ITIC复合,得到PCE值为11.21%.这是目前为止,非叠层非富勒烯有机太阳能电池的最高纪录,这已经与聚合物:富勒烯太阳能电池的纪录11.7%[7]相差无几.这对于非富勒烯有机太阳能电池的研究者而言无疑是一个巨大的鼓舞.占肖卫等[21]在ITIC的基础上进一步发展了ITIC-Th(图16),即将侧链上的苯基替换为噻吩.与ITIC相比,ITIC-Th在近红外与可见光范围内的吸收更强,能级更低,电子迁移率更高.PDBT-T1:ITIC-Th的PCE值达到9.6%,这也接近有机太阳能电池商用标准(10%).1.3 苯并噻二唑类电子受体材料苯并噻二唑基团(图17)是平面刚性结构的,具有强烈的拉电子效应、较高的稳定性,能与给电子基团连接形成D-A型电子受体材料,这类电子受体材料具有低带隙、宽吸收的优点.常用的给电子基团为噻吩类基团,还可以直接用芴类基团进行修饰.Fu等[22]在F4TBT(图17)的基础上,制成寡聚物F4TBT4,与F4TBT相比,寡聚物的结构明确,相对较短的结构避免了聚合物中复杂的二级结构和三级结构,在P3HT:F4TBT4中,与P3HT:F4TBT相比,活性层的相分离效果更好,域的范围较大.在相同条件下,P3HT:F4TBT4的PCE值达到4.12%,是P3HT:F4TBT(1.86%)的2倍多.这为提高全聚合物太阳能电池提供了新思路.有机太阳能电池近几年来得到飞速的发展,无论是富勒烯及其衍生物类还是非富勒烯类有机太阳能电池的PCE均已超过商业化的标准(10%),而相对与富勒烯类有机太阳能电池,非富勒烯类有机太阳能电池的成本更低,吸收更宽,前景更好.之前研究人员对于非富勒烯太阳能电池并不十分重视,研究时所用给体材料基本沿用富勒烯类太阳能电池领域所发展的给体材料,但是近年来,越来越多地研究人员将注意力放在非富勒烯类电子受体材料上,也为针对这类材料发展了响应的给体材料. 理论化学家们也将目光投向了非富勒烯OPV这一领域.之前的理论研究更多的局限在带隙、能级差等领域,但是随着计算水平的提高,理论工作者已经开始对形貌进行动力学分析,而形貌优化对提高太阳能电池的效率有显著作用.目前,在基础研究领域,非富勒烯有机太阳能电池的研究热点在于:1)发展新型电子受体材料;2)活性层形貌对电池效率的影响;3)提高载流子分离传输速率;4)过渡层对电池效率的影响;5)卷对卷(roll-to-roll)生产模式的应用等.作者认为目前的研究要点在于基于形貌、载流子、过渡层的研究,发展一类合成简单(不超过3步)、符合绿色化学理念的电子受体材料.目前限制非富勒烯有机太阳能电池应用的主要因素为:1)稳定性差.非富勒烯OPV 在化学稳定性和光稳定性上的表现尚有提升空间;2)合成步骤多.从上文中可以看到,目前所研究的电子受体材料的结构比较复杂,需要多步合成,成本高,不利于工业生产;3)研究人员少.目前,大量的研究人员将着重点放在发展新型电子给/受体材料,并没有深入思考所研究的给/受体是否拥有工业化前景,仅仅将目标放在实验室条件下制备PCE较高的有机太阳能电池.虽然有种种问题,但是随着科学家们的深入研究,非富勒烯有机太阳能电池的商业化生产大有可为.【相关文献】[1] 贺庆国,胡文平,白凤莲.分子材料与薄膜器件 [M].北京:化学工业出版社,2010.He Q G,Hu W P,Bai F L.Molecular materials and thin film devices [M].Beijing:ChemicalIndustry Press,2010.[2] 纳尔逊.太阳能电池物理 [M].上海:上海交通大学出版社,2011.Nelson J.The physics of solar cells [M].Shanghai:Shanghai Jiao Tong University Press,2011.[3] Tang C W.Two-layer organic photovoltaic cell [J].Applied PhysicsLetters,1985,48(2):183-185.[4] Liu Y,Zhao J,Li Z,et al.Aggregation and morphology control enables multiple cases of high-efficiency polymer solar cells [J].Nature Communications,2014,5:5293.[5] Sariciftci N S,Smilowitz L,Heeger A J,et al.Photoinduced electron transfer from a conducting polymer to buckminsterfullerene [J].Science,1992,258(5087):1474-1476. 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