用于聚合物太阳能电池的芳香亚胺类阴极修饰材料及其研究进展
发布时间：2021-02-28 23:04
聚合物太阳能电池作为一种新型太阳能电池,具有质量轻、成本低、易于大面积制备等突出优势,在学术界和工业界引起了广泛关注.近年来,聚合物太阳能电池能量转换效率提高迅速,单结器件效率值已超过17%.在器件优化中,构建高效阴极有机修饰层成为提高光伏器件效率与稳定性的重要策略之一.芳香亚胺类阴极修饰材料因具有大共轭平面、优异的电子传输性能、丰富的化学修饰位点以及合适的能级等特点近年来备受关注.本文简单介绍了阴极修饰层材料的功能,总结和评述了苝酰亚胺和萘酰亚胺类阴极修饰材料的研究进展,最后结合实际应用的要求展望了这类材料的未来发展趋势与前景.
【文章来源】：中国科学:化学. 2020,50(08)北大核心
【文章页数】：16 页
【部分图文】：
聚合物太阳能电池器件结构图.(a)正向结构器件;(b)反向结构器件;(c)聚合物太阳能电池的品质因子(网络版彩图)
通过打印技术制备大面积器件是未来光伏产业的生产趋势,这就要求活性层和修饰层材料都能通过印刷技术进行加工.2019年,侯剑辉、许博为等[29]将NDI-N作为阴极修饰层应用于较大面积的光伏器件中,将基于PBDB-T-2F:IT-4F体系的1 cm2器件的光电转换效率提高到13.2%,这也是当时较大面积器件的最高效率之一.并且当刮涂叶片涂层中NDI-N的浓度从0.1 mg/mL增加到1 mg/mL时,器件的PCE值仍保持在10%以上,展现出了优异的膜厚不敏感性.研究结果表明NDI-N兼顾了高结晶度和良好成膜性的优点.高结晶度和紧密的分子堆积改善了NDI-N层的电子传输性能,而良好的成膜性使得该材料可用印刷方式进行加工.后续的研究发现NDI-N/IT-4F在界面处存在n掺杂现象,这可归因于NDI-N分子本身的叔胺基团具有较强的路易斯碱性,使得电子更容易从NDI-N转移到IT-4F中,形成界面偶极子层,促进阴极对电子的抽取(图9(a)).此外,NDI-N较低的LUMO能级还使其能充当电子受体的角色(图9(b)),促进给体/NDI-N界面处的激子解离,提高器件的JSC.4.2.2 萘酰亚胺类聚合物阴极修饰材料
图2 苝酰亚胺化学结构式(网络版彩图)2016年,杨小牛等[53]对PDIN分子进行季胺化,设计合成了一种水溶性的阴极修饰材料PDI-N3I(图3),该材料具有高电导率和较强的电子提取能力,能有效降低界面处电荷积累和复合带来的效率损耗.PDI-N3I作为阴极修饰层的PBTI3T:PC71BM器件效率可达7%,明显高于LiF为阴极修饰层时的器件的效率(6.54%).2017年,任广禹等[54]通过在PDI核的湾区进行稠合,合成了一种醇溶性盘状芳香亚胺阴极修饰材料CDIN(图3),并应用于反向器件中.研究表明,CDIN自身盘状的共轭结构使其在固态下具有强烈的π-π堆积,赋予了CDIN厚度不敏感的特性.除此之外,CDIN与活性层材料有良好的相容性,能够在促进界面处电荷转移和传输的同时,优化活性层的形貌,提升器件的光伏性能.使用CDIN作阴极修饰层的反向光伏器件在富勒烯体系中取得了10.62%的PCE值,在非富勒烯体系中取得了8.95%的PCE值.2018年,方俊峰等[55]通过将PDIN与丙烷磺内酯反应,报道了一种水/醇溶性的苝酰亚胺类双性离子PDI-Z(图3).PDI-Z作为阴极修饰层应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,且当PDI-Z层的厚度在5～22 nm范围内变化时,器件仍能表现出较为理想的光伏性能.此外,PDI-Z还可以有效修饰高功函金属电极,使得以Ag为阴极材料的PBDB-T:IT-M器件的效率达到9.38%.
【参考文献】：
期刊论文
[1]有机太阳电池效率突破18%（英文）[J]. 刘启世,江宇凡,金柯,秦建强,许金桂,李文婷,熊骥,刘金凤,肖作,孙宽,杨上峰,张小涛,丁黎明. Science Bulletin. 2020(04)
[2]聚合物太阳能电池阴极修饰层研究进展[J]. 彭瑛,李永舫. 中国科学:化学. 2017(05)
[3]富勒烯类界面修饰材料在聚合物太阳能电池中的应用[J]. 赵富稳,蒋礼,王春儒. 中国科学:化学. 2016(10)
本文编号：3056576
【文章来源】：中国科学:化学. 2020,50(08)北大核心
【文章页数】：16 页
【部分图文】：
聚合物太阳能电池器件结构图.(a)正向结构器件;(b)反向结构器件;(c)聚合物太阳能电池的品质因子(网络版彩图)
通过打印技术制备大面积器件是未来光伏产业的生产趋势,这就要求活性层和修饰层材料都能通过印刷技术进行加工.2019年,侯剑辉、许博为等[29]将NDI-N作为阴极修饰层应用于较大面积的光伏器件中,将基于PBDB-T-2F:IT-4F体系的1 cm2器件的光电转换效率提高到13.2%,这也是当时较大面积器件的最高效率之一.并且当刮涂叶片涂层中NDI-N的浓度从0.1 mg/mL增加到1 mg/mL时,器件的PCE值仍保持在10%以上,展现出了优异的膜厚不敏感性.研究结果表明NDI-N兼顾了高结晶度和良好成膜性的优点.高结晶度和紧密的分子堆积改善了NDI-N层的电子传输性能,而良好的成膜性使得该材料可用印刷方式进行加工.后续的研究发现NDI-N/IT-4F在界面处存在n掺杂现象,这可归因于NDI-N分子本身的叔胺基团具有较强的路易斯碱性,使得电子更容易从NDI-N转移到IT-4F中,形成界面偶极子层,促进阴极对电子的抽取(图9(a)).此外,NDI-N较低的LUMO能级还使其能充当电子受体的角色(图9(b)),促进给体/NDI-N界面处的激子解离,提高器件的JSC.4.2.2 萘酰亚胺类聚合物阴极修饰材料
图2 苝酰亚胺化学结构式(网络版彩图)2016年,杨小牛等[53]对PDIN分子进行季胺化,设计合成了一种水溶性的阴极修饰材料PDI-N3I(图3),该材料具有高电导率和较强的电子提取能力,能有效降低界面处电荷积累和复合带来的效率损耗.PDI-N3I作为阴极修饰层的PBTI3T:PC71BM器件效率可达7%,明显高于LiF为阴极修饰层时的器件的效率(6.54%).2017年,任广禹等[54]通过在PDI核的湾区进行稠合,合成了一种醇溶性盘状芳香亚胺阴极修饰材料CDIN(图3),并应用于反向器件中.研究表明,CDIN自身盘状的共轭结构使其在固态下具有强烈的π-π堆积,赋予了CDIN厚度不敏感的特性.除此之外,CDIN与活性层材料有良好的相容性,能够在促进界面处电荷转移和传输的同时,优化活性层的形貌,提升器件的光伏性能.使用CDIN作阴极修饰层的反向光伏器件在富勒烯体系中取得了10.62%的PCE值,在非富勒烯体系中取得了8.95%的PCE值.2018年,方俊峰等[55]通过将PDIN与丙烷磺内酯反应,报道了一种水/醇溶性的苝酰亚胺类双性离子PDI-Z(图3).PDI-Z作为阴极修饰层应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,且当PDI-Z层的厚度在5～22 nm范围内变化时,器件仍能表现出较为理想的光伏性能.此外,PDI-Z还可以有效修饰高功函金属电极,使得以Ag为阴极材料的PBDB-T:IT-M器件的效率达到9.38%.
【参考文献】：
期刊论文
[1]有机太阳电池效率突破18%（英文）[J]. 刘启世,江宇凡,金柯,秦建强,许金桂,李文婷,熊骥,刘金凤,肖作,孙宽,杨上峰,张小涛,丁黎明. Science Bulletin. 2020(04)
[2]聚合物太阳能电池阴极修饰层研究进展[J]. 彭瑛,李永舫. 中国科学:化学. 2017(05)
[3]富勒烯类界面修饰材料在聚合物太阳能电池中的应用[J]. 赵富稳,蒋礼,王春儒. 中国科学:化学. 2016(10)
本文编号：3056576
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