非富勒烯聚合物
關(guān)注創(chuàng)建者：葉零01 創(chuàng)建時(shí)間：2018-09-29
非富勒烯聚合物的實(shí)例教程
以p型共軛聚合物為給體，以n型小分子為受體的非富勒烯有機(jī)太陽能電池發(fā)展穩(wěn)步，于今年取得了15%以上的效率，性能遠(yuǎn)超過富勒烯太陽能電池。但非富勒烯有機(jī)太陽能電池的研究仍面臨許多挑戰(zhàn)，包括綠色溶劑的選擇、器件穩(wěn)定性的提高和膜厚依賴性的改善。此外，非富勒烯光伏體系中電荷分離、復(fù)合和開路電壓損失等也是當(dāng)前研究的重點(diǎn)。眾所周知，吸光層中分子排布有序性、聚集態(tài)形貌等因素，對(duì)光伏轉(zhuǎn)化過程中的光吸收、激子解離、電荷產(chǎn)生和復(fù)合等過程都會(huì)產(chǎn)生影響。因此，通過溶液成膜過程的控制來調(diào)整微納形貌，將有利于對(duì)光伏轉(zhuǎn)化過程和非富勒烯光伏體系中電荷產(chǎn)生的機(jī)理和特點(diǎn)的深入理解，并最終促進(jìn)有機(jī)太陽能電池的進(jìn)一步發(fā)展。
【成果簡介】
最近，武漢理工大學(xué)王濤教授（通訊作者），Robert S. Gurney博士及英國謝菲爾德大學(xué)David Lidzey教授聯(lián)合在Rep. Prog. Phys.（2019, 82, 036601）上發(fā)表了一篇名為“A Review of Non-fullerene Polymer Solar Cells: From Device Physics to Morphology Control”的綜述文章。該文章闡述了非富勒烯OPVs中關(guān)于光伏轉(zhuǎn)換過程的最新探討及利用分子有序性和聚集體微納形貌調(diào)控獲得高性能器件的最新研究進(jìn)展。作者首先討論了OPVs中電荷分離、復(fù)合和開路電壓損失過程，然后描述了本體異質(zhì)結(jié)（BHJ）吸光層在水平和垂直方向的微納形貌和器件性能之間的關(guān)聯(lián)，接下來總結(jié)了給受體分子設(shè)計(jì)、溶液成膜過程及后處理調(diào)控，以及三元組分優(yōu)化，最后總結(jié)了非富勒烯光伏器件所面臨的諸多挑戰(zhàn)及其發(fā)展前景，對(duì)高效非富勒烯聚合物太陽能電池的微觀形貌調(diào)控提出了自己的見解。
展開 其中p-OS給體光伏材料包括共軛聚合物和有機(jī)小分子兩類材料。與聚合物相比，小分子材料具有確定的分子結(jié)構(gòu)、無合成批次差別、易提純等優(yōu)點(diǎn)，因此有機(jī)小分子給體光伏材料也引起了人們的廣泛關(guān)注。全小分子非富勒烯有機(jī)太陽能電池使用p-OS小分子給體和n-OS小分子受體，同時(shí)具有小分子給體材料和非富勒烯小分子受體材料的優(yōu)點(diǎn)，最近成為有機(jī)太陽能電池領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方向。
在中國科學(xué)院先導(dǎo)項(xiàng)目的支持下，中科院化學(xué)研究所有機(jī)固體重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室李永舫課題組研究人員最近在p-OS小分子給體材料和全小分子非富勒烯有機(jī)太陽電池的研究中取得系列研究進(jìn)展，使全小分子有機(jī)太陽電池的能量轉(zhuǎn)換效率突破了10%。
p-OS小分子給體材料多采用A-π-D-π-A型（其中D代表給體結(jié)構(gòu)單元、A代表受體結(jié)構(gòu)單元）線性分子結(jié)構(gòu)。他們首先在其開發(fā)的用于非富勒烯聚合物太陽電池的J-系列高效聚合物給體光伏材料的基礎(chǔ)上，將J-系列聚合物小分子化，合成了基于苯并二噻吩（BDT）為給體單元、氟取代三氮唑（FBTA）為受體單元、乙腈酯基為末端受體單元的p-OS小分子H11和H12（分子結(jié)構(gòu)見圖1）。以H11為給體、n-OS小分子IDIC為受體的全小分子有機(jī)太陽電池開路電壓（Voc）達(dá)到0.977V，能量轉(zhuǎn)換效率（下面簡稱效率）達(dá)到9.73%（J.Am.Chem.Soc.2017,139,5085-5094.）。
n-OS小分子受體材料具有各向異性的共軛骨架的特點(diǎn)，因而優(yōu)化p-OS的分子結(jié)構(gòu)來調(diào)節(jié)全小分子活性層的形貌以形成良好的給體-受體納米尺度相分離的互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，是提高全小分子有機(jī)太陽電池光伏性能的重要手段。他們以BDT為中心給體單元、將寡聚噻吩結(jié)構(gòu)引入p-OS分子結(jié)構(gòu)中，合成了兩個(gè)p-OS分子SM1和SM2（分子結(jié)構(gòu)見圖1）。
展開 【引言】
基于非富勒烯受體的有機(jī)太陽能電池近年來發(fā)展迅速。與富勒烯及其衍生物相比，非富勒烯受體具有更易調(diào)節(jié)的物理化學(xué)性質(zhì)，更有效的光譜利用，以及更小的能量損耗等優(yōu)勢。ITIC及其多種衍生物（圖一）作為非富勒烯受體材料近年來受到廣泛關(guān)注。通過分子結(jié)構(gòu)調(diào)控ITIC能級(jí)來提高電池能量轉(zhuǎn)換效率是近年來的研究熱點(diǎn)。協(xié)同調(diào)節(jié)受體和給體的能級(jí)已經(jīng)成功將電池能量轉(zhuǎn)換效率提高到13%以上。
對(duì)于有機(jī)太陽能電池的大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用，必須綜合考慮能量轉(zhuǎn)換效率、器件穩(wěn)定性以及合成難度。因此，在研究分子能級(jí)調(diào)控對(duì)其能量轉(zhuǎn)換效率影響的同時(shí)，也應(yīng)該關(guān)注其對(duì)穩(wěn)定性和合成成本的影響。最近，德國埃爾蘭根-紐倫堡大學(xué)Christoph J. Brabec教授的研究團(tuán)隊(duì)從能量轉(zhuǎn)換效率、器件穩(wěn)定性和合成復(fù)雜度三個(gè)方面研究了ITIC及其系列衍生物的工業(yè)化可行性，以及分子調(diào)控對(duì)電池壽命的影響。研究表明，ITIC端基和側(cè)鏈修飾對(duì)器件穩(wěn)定性有極大影響，該系列材料中的穩(wěn)定體系有望達(dá)到接近10年的器件使用壽命。最后，作者通過分析工業(yè)化指標(biāo)，指出降低合成成本對(duì)于該系列材料的工業(yè)化應(yīng)用前景至關(guān)重要，該工作發(fā)表在Joule上。文章第一作者為杜曉艷博士，通訊作者為李寧博士和Christoph J. Brabec教授。
圖1. 給體和受體材料的分子結(jié)構(gòu)
【圖文導(dǎo)讀】
該工作中的太陽能電池由程序控制自動(dòng)進(jìn)行穩(wěn)定性測試。測試條件為干燥氮?dú)夥諊ㄑ鯕夂退烤∮?.5ppm）使用白光LED燈照射，期間溫度控制在30°C。結(jié)果顯示（圖二），ITIC分子結(jié)構(gòu)調(diào)控對(duì)電池穩(wěn)定性影響極大。
展開 由此出發(fā)，結(jié)合富勒烯和非富勒烯受體(NFAs)可能是有利的，因?yàn)?em>富勒烯衍生物(PCBM)是良好的電子傳輸介質(zhì)，而NFAs具有良好的光吸收和高度可調(diào)的能級(jí)排列。此外，由于NFAs體系的電荷分離過程中的驅(qū)動(dòng)力較小，相應(yīng)的器件得到的開壓損耗[定義為Eloss = Egopt ? qVoc (其中Egopt是光帶隙，Voc是開路電壓，q是基本電荷)]很低。
【成果簡介】
近日，中科院化學(xué)所的朱曉張教授、瑞典林雪平大學(xué)的張鳳玲教授以及上海交通大學(xué)劉烽教授（共同通訊）聯(lián)合在Nature Energy上發(fā)表文章，題為：High-efficiency small-molecule ternary solar cells with a hierarchical morphology enabled by synergizing fullerene and non-fullerene acceptors。作者通過將小分子給體與富勒烯和非富勒烯受體相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了三元太陽能電池13.20?±?0.25%的高能量轉(zhuǎn)換效率，這形成了由PCBM組成的電荷運(yùn)輸高速公路和精細(xì)的非富勒烯小相分離路徑組成的分級(jí)形貌。載流子生成和傳輸實(shí)現(xiàn)了最佳平衡，同時(shí)降低了電壓損耗。這種分級(jí)形貌充分利用了富勒烯和非富勒烯受體的各自優(yōu)勢，證明了它們?cè)谟袡C(jī)光伏中的不可或缺性。
展開 ：在非對(duì)稱受體方面取得新進(jìn)展
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南昌大學(xué)陳義旺教授和諶烈教授研究團(tuán)隊(duì)利用側(cè)鏈工程精準(zhǔn)調(diào)控聚合物給體太陽能電池整體性能參數(shù)取得新進(jìn)展
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高分子科技原創(chuàng)文章。
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非富勒烯聚合物的相關(guān)專題、標(biāo)簽、搜索
非富勒烯聚合物的最新內(nèi)容
聚合物基復(fù)合材料是由各種纖維和聚合物通過不同成型工藝組合而成的新型復(fù)合材料，其既保留了原組成材料的主要特點(diǎn)，又通過復(fù)合效應(yīng)獲得原組成材料不具備的性能。其中纖維主要起增強(qiáng)作用，聚合物樹脂主要起連接纖維和傳遞載荷的作用，而纖維和聚合物樹脂的界面是連接的紐帶，也是載荷傳遞的橋梁，起著非常重要的作用。聚合物基復(fù)合材料的比剛度以及比強(qiáng)度較高，抗疲勞性能和耐腐蝕性能優(yōu)異,且具有可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、成型工藝簡單、過載時(shí)安全性能好等優(yōu)點(diǎn)
作者：葉祥志，鄧云水，劉 源，周詠柳，賀建雄， 熊春榮 *
題目：玻璃球負(fù)載非晶態(tài)有機(jī)鈦聚合物提高光催化還原CO2的轉(zhuǎn)換頻率
鏈接：
http://yyhx.ciac.jl.cn/CN/10.19894/j.issn.1000-0518.210550
DOI：10. 19894/j. issn. 1000
【摘要】
生物的各種變形行為源于它們無限的途徑。相比之下，常見合成變形材料的平衡驅(qū)動(dòng)變形途徑非常有限。對(duì)于
形狀記憶聚合物
(SMP)
，它從臨時(shí)形狀恢復(fù)到永久形狀通常需要外部刺激并遵循單一固定路線。
最近
，
浙江大學(xué)
謝濤教授
團(tuán)隊(duì)
將
共價(jià)交聯(lián)的 SMP 設(shè)計(jì)為在網(wǎng)絡(luò)中具有充足的脲基嘧啶酮
脈沖電容器由于其優(yōu)異的快速充放電性能，在電動(dòng)汽車、風(fēng)力發(fā)電、電磁彈射裝置等脈沖能量存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中具有重要應(yīng)用。為了滿足電力電子設(shè)備的高度集成化發(fā)展，近年來，國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)介電材料的儲(chǔ)能密度提升開展了大量研究。然而，儲(chǔ)能密度的提升通常會(huì)導(dǎo)致充放電效率降低，成為限制高儲(chǔ)能密度介電材料發(fā)展的瓶頸。
手性與自修復(fù)的現(xiàn)象在自然界和生物系統(tǒng)中普遍存在，二者對(duì)于生命的維持和發(fā)展至關(guān)重要。宏觀尺度的千變?nèi)f化往往源于微觀分子的運(yùn)動(dòng)，對(duì)于微觀手性結(jié)構(gòu)自修復(fù)的研究是理解或模仿自然界中手性表達(dá)藝術(shù)的基礎(chǔ)，也是基礎(chǔ)科學(xué)和應(yīng)用領(lǐng)域一個(gè)重要的研究主題。其中手性傳遞、記憶、放大等思想理念一直鼓舞著科學(xué)家們對(duì)于新型手性功能材料的探索。
多孔聚合物薄膜因具有輕質(zhì)、高比表面積、易加工和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈活等優(yōu)越性能，而被廣泛應(yīng)用于多個(gè)重要領(lǐng)域。隨著多孔聚合物材料的應(yīng)用場景日益前沿化，如何制備具有復(fù)雜三維孔洞形貌的多孔聚合物材料成為該領(lǐng)域研究者的新挑戰(zhàn)。其中具有有序/無序復(fù)合型非對(duì)稱結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的多孔聚合物薄膜，由于其在膜分離等領(lǐng)域所獨(dú)有的應(yīng)用優(yōu)勢，獲得了越來越多的關(guān)注
D1TA02345D
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可溶液加工的有機(jī)太陽能電池 (OSCs) 因具有成本低、質(zhì)量輕及可大面積制備等優(yōu)點(diǎn)，使其成為光電領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。有機(jī)太陽能電池活性層是整個(gè)器件的核心部分，很大程度上決定了OSCs的光伏性能大小。高效OSCs的活性層通常由給體和受體材料共混而成，近年來，隨著非富勒烯受體材料的發(fā)展，OSCs器件效率已接近19%，具有非常大的應(yīng)用前景
中科院化學(xué)所李永舫院士課題組首次提出了非等量D-A共聚策略并合成了應(yīng)用于有機(jī)/聚合物太陽電池的非等量D-A共聚物給體光伏材料。基于該類材料的二元器件的開路電壓、短路電流與填充因子均得到了提升，并取得了17.71%的高能量轉(zhuǎn)換效率。該研究更深層次地探討了基于D-A共聚理論的機(jī)理，并對(duì)應(yīng)用于高效有機(jī)光伏材料的
（藍(lán)色代表強(qiáng)正ESP，紅色代表強(qiáng)負(fù)ESP，而綠色代表中性的ESP）
3、有助于提高性能的形貌
在聚合物:富勒烯和聚合物:非富勒烯系統(tǒng)中，包括分子排布、相分離尺寸、相純度和連通性等在內(nèi)的吸光層微納形貌對(duì)器件性能起著至關(guān)重要的作用。
圖5.光伏器件的化學(xué)結(jié)構(gòu)、薄膜制備過程與器件性能的內(nèi)在聯(lián)系。
