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全高分子室内光伏模组

        有机光伏除了太阳能电池的应用外,另一个潜在用途是将室内光的光能转换为电能(室内光伏)。随着物联网的快速发展,人们对实现自供电的无线传感元件的需求日益增长。室内光伏是指从室内环境中吸收光能并将其转化为电能,是实现自供电的理想能量来源。无线传感元件的功率需求在百微瓦量级,因此需要发展在室内条件下输出功率超过100微瓦的光伏模组。         将高分子给体和高分子受体共混得到的全高分子活性层,具有优异的热稳定性与机械性能。本工作中,我们首次开发出全高分子室内光伏模组。我们采用具有中等带隙的高分子给体材料CD1和高分子受体材料PBN-21作为活性层材料,使用环境友好的溶剂四氢呋喃通过热溶液刮涂的方法制备了全高分子光伏模组,其有效面积10 cm2。在1000 lux室内照明条件下,其能量转化效率12.04%,输出功率367.2微瓦,能够满足传感器元件的功率需求。此外,我们通过相应的小面积器件,证明了全高分子活性层具有优异的光稳定性与热稳定性。该光伏模组的高输出功率、高效率、优异的稳定性与环境友好加工性质,说明全高分子室内光伏是实现无线传感器元件自供电的一种重要能源。                                     [...]

2022-05-02T15:46:09+08:002022年05月02日|科研动态|

含硼氮配位键的高分子受体材料实现效率14%的全高分子太阳能电池

        全高分子太阳能电池具有优异的热稳定性和机械性能,其能量转换效率的提升受限于高分子受体材料的发展。目前,高分子受体材料的分子设计主要基于缺电子的酰亚胺结构,氰基以及硼氮配位键结构。另外,将小分子受体材料作为重复单元,聚合得到高分子受体材料,也成为设计高性能高分子受体材料的新策略。         在本工作中,我们将Y6类型小分子受体的衍生物与基于硼氮配位键的拉电子单元共聚,发展出新的A-A型高分子受体材料(PBN25)。相比于将Y6类型小分子受体的衍生物与不含硼氮配位键的推电子单元共聚得到的D-A型高分子受体材料(PBN25-CC),P1-BN的HOMO和LUMO能级降低了约0.1 eV,同时表现出更强的结晶性。将PBN25和PBN25-CC作为受体材料制备全高分子太阳能电池器件,PBN25的能量转换效率达到14%,高于PBN25-CC的7%能量转换效率。其原因在于PBN25有更低的HOMO能级,有利于激子解离,使器件短路电流和填充因子提升。本工作说明,基于硼氮配位键的缺电子单元,在构建高性能高分子受体材料方面很有潜力。                                         [...]

2022-05-02T15:39:59+08:002022年05月02日|科研动态|

n型热电材料的新体系:含硼氮配位键的高分子

        热电材料在可穿戴电子设备、物联网、传感器等诸多方面应用前景广阔,吸引了众多科研工作者的注意力。高分子作为热电材料,具有低热导率和柔性的突出优势。热电元件需要p型材料和n型材料一起使用,但是已有的高分子热电材料大都是p型的。n型高分子热电材料的种类和数量都很少,性能也较差,是限制高分子热电材料与器件领域发展的瓶颈。         中国科学院长春应用化学研究所的刘俊团队2015年提出了采用硼氮配位键设计n型高分子半导体的学术思想,从无到有,发展出了硼氮配位键n型高分子半导体材料体系,它们作为电子受体材料应用于有机太阳能电池,性能优异。近期,刘俊团队针对n型高分子热电材料缺乏的瓶颈问题,继续采用硼氮配位键这一分子设计策略,成功地发展出硼氮配位键n型高分子热电材料,且性能优异。该成果为n型高分子热电材料开拓出新体系。         n型高分子热电材料要求具有很低的LUMO能级,利于n-掺杂。已有的硼氮配位键n型高分子半导体材料大都具有“电子给体-电子受体(D-A)”特征,导致其LUMO能级不够低(-3.3 eV ~ -3.7 eV),不能被有效n掺杂,因此无法作为n型高分子热电材料。在本工作中,作者通过合成硼氮配位键吸电子单元的三丁基锡聚合单体,成功制备出具有“电子受体-电子受体(A-A)”特征的硼氮配位键n型高分子,其LUMO能级降低到-4.0 eV ~ -4.4 eV,从而使高分子可以被有效n掺杂,并展现出优异的热电性能。实验结果表明,这些具有A-A特征的硼氮配位键n型高分子被四(二甲基胺基乙烯)蒸汽掺杂后,其电导率达到7.8 S cm-1,最大功率因子达到24.8 µW m-1 K-2。该热电性能与主流的n型高分子热电材料(基于酰胺或酰亚胺结构)的最优性能具有可比性。 C. S. [...]

2022-05-02T15:41:19+08:002021年05月30日|科研动态|

能量转化效率达10%的有机硼高分子

        大多数光电高分子是由C,H,N,O,S等元素组成。主族元素化学是调控有机小分子/高分子光电性质的新手段,有望大大拓展光电材料的种类与数量。目前,含有主族元素的有机小分子在多层真空沉积的光电器件中已显示出优异的器件性能。但含主族元素的高分子由于很难同时满足溶液加工器件的多重要求,器件效率仍较低。         全高分子太阳能电池采用高分子电子给体与高分子电子受体的共混膜作为活性层,具有优异的热稳定性、形貌稳定性和机械稳定性,在柔性光伏应用上前景广阔。在过去的十年中,全高分子太阳能电池的效率已显著提升至10-11%。目前,由于高分子受体材料的种类和数量都很少,最高效的高分子受体仍集中于N2200。有别于采用酰亚胺结构设计高分子受体材料,我们课题组发展了一系列有机硼高分子受体。这些有机硼高分子受体具有LUMO能级连续可调的特性,器件可以实现高开路电压,但其综合性能参数仍较低。         在本文中,我们报道了一种光电性质可调的有机硼高分子,将其作为高分子受体组装的全高分子太阳能电池实现了10.1%的能量转换效率。具体实施中,我们将2,1,3-苯并噻二唑单元引入到有机硼高分子的共轭主链,实现了对其吸收光谱,能级结构,电子迁移率和相分离行为的协同调控。具体表现为:吸收光谱红移21 nm;HOMO能级升高,带隙减小;电子迁移率从2.44 ×10−4 cm2 V−1 s−1 提高至1.68 ×10−3 cm2 V−1 s−1;结晶性提高,相分离尺寸减小。本论文从实验上证明了主族元素化学实现高效率有机光伏器件的可行性,表明了利用主族元素化学策略可以开发出高效的适用于可溶液加工型器件的有机光电高分子。 Z. Y. Zhao, N. Wang, [...]

2022-05-02T15:41:58+08:002020年01月10日|科研动态|

具有高开路电压的全高分子室内光伏电池

        室内光伏电池可将室内人造光源发出的弱光转化成电能,在为物联网智能消费电子设备供电方面具有潜在应用,近年来受到人们的持续关注。由于人造光源的发射光谱主要在可见光区,发射光谱较窄,限制了器件的短路电流密度,因而室内光伏电池的效率在很大程度上依赖于开路电压。然而,由于所用光伏材料的带隙较窄,现有室内光伏电池的开路电压均低于1 V,这不利于室内光伏电池效率的进一步提升。         相对传统的基于无机半导体的光伏电池,基于高分子给体材料与高分子受体材料共混活性层的全高分子光伏电池,具有可溶液加工、带隙和能级可调、以及良好的热稳定性和较高的机械力学性能等优势,目前已经广泛用于室外的太阳能电池。但是,将全高分子光伏电池用于收集室内光尚未见报道。         在本文工作中,我们首次将全高分子光伏电池将室内人造光源发出弱光转换为电能,开发出具有高开路电压的高效室内光伏电池。我们通过选择具有宽带隙的高分子给体CD1(Eg:1.93 eV)和高分子受体PBN-10(Eg:1.95 eV)来制备活性层。由于CD1和PBN-10的吸收光谱主要在可见光区,与荧光管或有机发光二极管等室内光源的发射光谱能较好的重叠,因而,可以实现对室内入射光的有效利用。此外,给体CD1具有较低的HOMO能级,受体PBN-10具有较高的LUMO能级,两者较大的差值有利于获得较高的开路电压。器件结果显示,在室内荧光管照射下,基于CD1:PBN-10的光伏器件的开路电压可高达1.16 V,为室内光伏电池开路电压的最高值,相应器件的能量转换效率也可达 27.4%。以上工作证明了高开路电压对于高效率室内光伏电池的重要性。该工作第一次将全高分子光伏器件应用于室内光的收集,拓展出一个新的研究领域。      

2021-06-08T10:24:31+08:002019年10月24日|科研动态|

高电子亲和性和高电子迁移率的四硼氮配位键稠环分子

        电子亲和性是π共轭分子的一个基本特征。π共轭分子本身富含电子,目前主要采用酰亚胺、卤素原子(F和Cl)、氰基以及sp2杂化氮原子等缺电子结构实现其高的电子亲和性。这在合成上限制了高电子亲和性的π共轭分子的发展空间,因此开发新的缺电子单元实现高电子亲和性一直备受关注。硼原子具有空p轨道,理论上在π共轭分子中引入硼原子应该是实现高电子亲和性和高电子迁移率的有效策略。但是,经过几十年的发展,含硼π共轭分子的高电子亲和性和高电子迁移率依旧没有得到实验上的验证,其LUMO能级绝大多数高于−4.0 eV, 电子迁移率普遍低于10-2 cm2 V-1 s-1。         在本论文中,我们提出了“向全六元环结构中引入B←N键以削弱成键张力,提高分子稳定性”的策略,开发出了两个含有四个B←N键的稠环分子:       (1)含四个硼氮配位键,并八苯构建的大尺寸稠环分子,显著提高其电子亲和性,其LUMO能级低至−4.58 eV,接近稳定n-型有机半导体的能级极限。该含硼有机分子具有高的结晶性和环境稳定性,我们进一步将其组装成有机单晶晶体管器件,其电子迁移率达到1.60 cm2 V−1 s−1,比大多数有机硼化合物的电子迁移率高出三个数量级,是首个电子迁移率超过1 cm2 V−1 s−1的含硼有机分子。这个工作成功在实验上证明了含硼有机分子可实现高电子亲和性和高电子迁移率。  J. Am. Chem. Soc. [...]

2021-06-08T10:33:07+08:002019年10月02日|科研动态|

小分子给体/高分子受体型有机太阳能电池

        有机太阳能电池(OSC)具有低成本、柔性和重量轻等优点,近年来受到学术界和产业界的广泛关注。目前,单节和叠层OSC的能量转换效率(PCE)分别可达16%和17.3%,可基本满足商业化生产的要求。然而,OSC的长期稳定性仍然不能有效解决,不利于其实际应用。基于小分子给体/高分子受体的OSC具有较好的形貌热稳定性,但由于缺少合适的高分子受体材料和较差的活性层形貌,目前该类电池器件较低,最高PCE不到6%。         在本文工作中,我们基于经典小分子给体DR3TBDTT的共轭骨架,利用大体积咔唑侧基取代小体积噻吩侧基,开发出具有较弱π-π相互作用的小分子给体DR3TBDTC。我们将DR3TBDTC与课题组前期开发的基于双硼氮桥联联吡啶(BNBP)的高分子受体PBN-11共混,发展出一类具有高效率和高热稳定性的小分子给体/高分子受体型有机太阳能电池。         结果表明,与基于BNBP单元的高分子受体PBN-11共混时,DR3TBDTT会形成几十纳米的大尺寸聚集体,而DR3TBDTC则可形成十纳米左右的小尺寸聚集体,极大的改善了激子解离和电荷传输,使得器件的PCE从3.06%提升至8.01%。此外,我们还发现基于DR3TBDTC:PBN-11的活性层具有优异的形貌热稳定性,在180 oC连续退火7天,形貌未发生明显变化,基于相应活性层的器件PCE仅下降11%。该工作开发出一类新的具有高热稳定性和高效率的有机太阳能电池。  Z. J. Zhang, J. H. Miao, Z. C. Ding*, B. Kan, B. J. Lin, [...]

2021-06-08T10:41:17+08:002019年07月22日|科研动态|

n-型高分子半导体的设计新思路——p-π共轭

        不同于无机半导体,高分子半导体具有可溶液加工、柔性、低成本的特点,被广泛应用于有机发光二极管、有机场效应晶体管以及有机太阳能电池中。传输正电荷(空穴)的p型高分子半导体很多,而传输负电荷(电子)的n型高分子半导体的数量和种类都很少。因此,发展n型高分子半导体的设计新方法,无疑具有重要科学意义和潜在应用价值。         从原理上说,由于硼原子有空p轨道,基于三芳基硼的p-π共轭高分子应该具有n型性质,但是在实验上,p-π共轭的n-型高分子半导体从未被实现过。其原因在于两方面,一是硼原子的空p轨道容易被空气中的水蒸气和氧气进攻,导致稳定性差;二是三芳基硼的缺电子性质不够强,导致高分子的电子能级不够低。         在本论文工作中,我们成功实现了基于三芳基硼的p-π共轭n-型高分子半导体。具体实施中,我们首先在与硼原子相邻的苯环上引入两个三氟甲基作为位阻,保护硼原子的空p轨道不受水、氧的进攻,提高了三芳基硼的稳定性,然后将三芳基硼与缺电子单元共聚,降低了高分子的电子能级。以上分子设计得到的三芳基硼p-π共轭n-型高分子半导体,不仅具有低的电子能级,利于电子从电极注入到高分子;而且具有较高的电子迁移率,利于电子在高分子中的输运。我们进一步实现了该n型高分子半导体的应用,作为电子受体材料,组装了全高分子太阳能电池,能量转换效率2.8%。以上工作证明了发展基于三芳基硼的p-π共轭n型高分子半导体的可行性。该工作提出了一种新的n-型高分子半导体设计方法,将拓展出一类新的材料体系。 B. Meng, Y. Ren, J. Liu*, F. Jäkle*, L. X. Wang, Angew. Chem. Int. Ed., [...]

2021-06-08T10:09:19+08:002018年01月03日|科研动态|

硼氮配位键n-型稠环分子

        面向有机薄膜晶体管,相对比p-型,n-型有机小分子的种类/数量少、迁移率低、稳定性差。n-型有机小分子常采用酰胺基团、醌式结构、氮杂原子等缺电子结构,通过构筑共轭芳香稠环进行分子设计,一方面降低分子LUMO能级提高电子注入效率和稳定性,另一方面提高分子间π相互作用增强分子间电子耦合,获得高性能n-型有机半导体材料。         我们基于硼氮配位键的基本原理,提出采用硼氮配位键设计n-型有机小分子的策略,开发出硼氮配位键n-型稠环分子,发展出一类新型有机电子传输材料。突破采用酰胺基团、醌式结构、氮杂原子等缺电子结构设计n-型有机小分子的思路,我们将硼氮配位键引入到并苯结构,开发出含硼氮配位键n-型稠环分子。这类分子具有低LUMO/HOMO能级,表现出n-型半导体性质。采用溶液加工工艺组装了有机薄膜晶体管,器件表现出空气稳定的纯电子传输性质,取得了0.21 cm2 V−1 s−1的电子迁移率。另一方面,不同于其他缺电子结构,B←N键具有一些特性,一是调控分子电子结构实现LUMO轨道互变,导致LUMO轨道分布在并苯结构上,利于电子在分子间传输,二是降低共轭稠环的芳香性,利于电子在分子骨架内离域。这些含硼氮配位键n-型稠环分子不仅代表了全新的化学结构,而且为发展n-型有机半导体材料提供了新思路。该工作受到审稿人的一致高度评价,被杂志推荐到Wiley旗下的ChemistryViews网站和WeileyChinaBlog予以专题介绍。 Y. Min, C. D. Dou*, H. K. Tian, Y. H. Geng, J. Liu*, L. X. Wang, Angew. [...]

2021-06-08T10:04:57+08:002017年12月30日|科研动态|

含醚氧链的DPP基共轭聚合物在高分子太阳能电池中的应用

        共轭聚合物半导体在过去的几十年被广泛的研究,主要应用在OLEDs, OFETs, 光探测器和有机太阳能电池领域;与无机半导体相比,聚合物半导体有着柔性、重量轻、可溶液加工等优点;对于共轭材料的研究主要集中在共轭主链,助溶侧链及功能基团,而相比共轭主链,侧链的研究相对较少;主要集中在侧链的长度、支化点位置及新型侧链;惰性侧链对聚合物的光电性能有着重要的作用,如侧链能够提高聚合物在溶剂中的溶解性,实现溶液加工;侧链还可以调控共轭材料的聚集行为,调控活性层形貌;近几年在OFETs领域已经有很多课题组研发了新型的功能化侧链,如不同支化位点烷基链,硅氧端基烷基链,含氟烷基链等;         本文中我们成功的设计并合成了支化醚氧链,并首次应用于高分子太阳能电池给体材料;支化醚氧链的引入使共轭聚合物具有小的π-π堆积距离(3.6 Å),更高的载流子迁移率(4.14×10-3),更小的光学带隙(1.28),高的介电常数(5.5)和表面能(44.03);由于醚氧链的作用,我们成功制作了近红外光响应器件,且性能高到5.37%,其EQE值在近红外区超过40%;更重要的是,醚氧链的引入实现了厚膜器件的制备,这对于工业化的roll-to-roll生产意义重大。 X. X. Chen, Z. J. Zhang, Z. C. Ding, J. Liu*, L. X. Wang*, Angew. Chem. Int. [...]

2021-06-08T09:46:08+08:002016年06月03日|科研动态|