面向非富勒烯型有机光伏电池的聚合物给体材料设计

张少青 侯剑辉

引用本文: 张少青,  侯剑辉. 面向非富勒烯型有机光伏电池的聚合物给体材料设计[J]. 物理化学学报, 2017, 33(12): 2327-2338. doi: 10.3866/PKU.WHXB201706161 shu
Citation:  ZHANG Shao-Qing,  HOU Jian-Hui. Rational Design Strategies for Polymer Donors for Applications in Non-Fullerene Organic Photovoltaic Cells[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2017, 33(12): 2327-2338. doi: 10.3866/PKU.WHXB201706161 shu

面向非富勒烯型有机光伏电池的聚合物给体材料设计

  • 基金项目:

    国家自然科学基金委(91333204,21325419,51673201)和中国科学院战略性B类先导科技专项(XDB12030200)

摘要: 可溶液加工的有机光伏电池(OPV)是一种具有重要应用潜力的新型光伏技术。在OPV技术的发展过程中,富勒烯衍生物作为电子受体材料占据了相当长时间的统治地位,因此聚合物给体材料设计中对如何与富勒烯受体材料相互匹配考虑较多。最近几年来,基于聚合物给体和非富勒烯有机受体的OPV电池,简称为非富勒烯型NF-OPV,得到了十分快速的发展。在此类电池中,聚合物电子给体和非富勒烯型电子受体材料均起到了十分重要的作用。相比于较为经典的富勒烯型OPV,NF-OPV对聚合物给体的光电特性和聚集态结构提出了新的要求。因此,本文针对NF-OPV的特点,重点介绍NF-OPV对聚合物给体材料的吸收光谱、分子能级以及聚集态结构等特征的新要求,总结最近几年来的相关进展,并在此基础上进一步讨论聚合物电子给体材料面临的挑战和展望。

English

    1. [1]

      (1) Yu, G.; Gao, J.; Hummelen, J. C.; Wudl, F.; Heeger, A. J. Science 1995, 270, 1789. doi: 10.1126/science.270.5243.1789

    2. [2]

      (2) Yu, G.; Heeger, A. J. J. App. Phys. 1995, 78, 4510. doi: 10.1063/1.359792

    3. [3]

      (3) He, Y.; Li, Y. Phys. Chem. Chem. Phys. 2011, 13, 1970. doi: 10.1039/c0cp01178a

    4. [4]

      (4) He, Y.; Chen, H. Y.; Hou, J.; Li, Y. J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 1377. doi: 10.1021/ja908602j

    5. [5]

      (5) Hummelen, J. C.; Knight, B. W.; LePeq, F.; Wudl, F.; Yao, J.; Wilkins, C. L. J. Org. Chem. 1995, 60, 532. doi: 10.1021/jo00108a012

    6. [6]

      (6) Deibel, C.; Dyakonov, V. Rep. Prog. Phys. 2010, 73, 096401. doi: 10.1088/0034-4885/73/9/096401

    7. [7]

      (7) Zhao, W.; Li, S.; Yao, H.; Zhang, S.; Zhang, Y.; Yang, B.; Hou, J. J. Am. Chem. Soc. 2017. doi: 10.1021/jacs.7b02677

    8. [8]

      (8) Yao, H.; Cui, Y.; Yu, R.; Gao, B.; Zhang, H.; Hou, J. Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 2017, 56, 3045. doi: 10.1002/anie.201610944

    9. [9]

      (9) Yao, H.; Chen, Y.; Qin, Y.; Yu, R.; Cui, Y.; Yang, B.; Li, S.; Zhang, K.; Hou, J. Adv. Mater. 2016, 28, 8283. doi: 10.1002/adma.201602642

    10. [10]

      (10) Zhang, H.; Li, S.; Xu, B.; Yao, H.; Yang, B.; Hou, J. J. Mater. Chem. A 2016, 4, 18043. doi: 10.1039/c6ta07672f

    11. [11]

      (11) Baran, D.; Kirchartz, T.; Wheeler, S.; Dimitrov, S.; Abdelsamie, M.; Gorman, J.; Ashraf, R. S.; Holliday, S.; Wadsworth, A.; Gasparini, N.; Kaienburg, P.; Yan, H.; Amassian, A.; Brabec, C. J.; Durrant, J. R.; McCulloch, I. Energy Environ. Sci. 2016. doi: 10.1039/c6ee02598f

    12. [12]

      (12) Meng, D.; Sun, D.; Zhong, C.; Liu, T.; Fan, B.; Huo, L.; Li, Y.; Jiang, W.; Choi, H.; Kim, T.; Kim, J. Y.; Sun, Y.; Wang, Z.; Heeger, A. J. J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 375. doi: 10.1021/jacs.5b11149

    13. [13]

      (13) Zhao, W.; Zhang, S.; Hou, J. Sci. China Chem. 2016, 59, 1574. doi: 10.1007/s11426-016-0198-0

    14. [14]

      (14) Zhao, W.; Qian, D.; Zhang, S.; Li, S.; Inganas, O.; Gao, F.; Hou, J. Adv. Mater. 2016, 28, 4734. doi: 10.1002/adma.201600281

    15. [15]

      (15) Lin, Y.; Zhan, X. Mater. Horiz. 2014, 1, 470. doi: 10.1039/c4mh00042k

    16. [16]

      (16) Nielsen, C. B.; Holliday, S.; Chen, H. Y.; Cryer, S. J.; McCulloch, I. Acc. Chem. Res. 2015, 48, 2803. doi: 10.1021/acs.accounts.5b00199

    17. [17]

      (17) Li, S.; Zhang, Z.; Shi, M.; Li, C. Z.; Chen, H. Phys. Chem. Chem. Phys. 2017, 19, 3440. doi: 10.1039/c6cp07465k

    18. [18]

      (18) Liang, N.; Jiang, W.; Hou, J.; Wang, Z. Mater. Chem. Front. 2017. doi: 10.1039/c6qm00247a

    19. [19]

      (19) Ye, L.; Jiao, X.; Zhou, M.; Zhang, S.; Yao, H.; Zhao, W.; Xia, A.; Ade, H.; Hou, J. Adv. Mater. 2015, 27, 6046. doi: 10.1002/adma.201503218

    20. [20]

      (20) Yang, B.; Zhang, S.; Chen, Y.; Cui, Y.; Liu, D.; Yao, H.; Zhang, J.; Wei, Z.; Hou, J. Macromolecules 2017, 50, 1453. doi: 10.1021/acs.macromol.6b02733

    21. [21]

      (21) Li, W.; Zhang, S.; Zhang, H.; Hou, J. Org. Electron. 2017, 44, 42. doi: 10.1016/j.orgel.2017.01.036

    22. [22]

      (22) Qin, Y.; Uddin, M. A.; Chen, Y.; Jang, B.; Zhao, K.; Zheng, Z.; Yu, R.; Shin, T. J.; Woo, H. Y.; Hou, J. Adv. Mater. 2016, 28, 9416. doi: 10.1002/adma.201601803

    23. [23]

      (23) Zheng, Z.; Awartani, O. M.; Gautam, B.; Liu, D.; Qin, Y.; Li, W.; Bataller, A.; Gundogdu, K.; Ade, H.; Hou, J. Adv. Mater. 2017, 29. doi: 10.1002/adma.201604241

    24. [24]

      (24) Meng, D.; Fu, H.; Xiao, C.; Meng, X.; Winands, T.; Ma, W.; Wei, W.; Fan, B.; Huo, L.; Doltsinis, N. L.; Li, Y.; Sun, Y.; Wang, Z. J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 10184. doi: 10.1021/jacs.6b04368

    25. [25]

      (25) Liu, J.; Chen, S.; Qian, D.; Gautam, B.; Yang, G.; Zhao, J.; Bergqvist, J.; Zhang, F.; Ma, W.; Ade, H.; Inganäs, O.; Gundogdu, K.; Gao, F.; Yan, H. Nat. Energy 2016, 1, 16089. doi: 10.1038/nenergy.2016.89

    26. [26]

      (26) He, Y. J.; Zhao, G. J.; Peng, B.; Li, Y. F. Adv. Funct. Mater. 2010, 20, 3383. doi: 10.1002/adfm.201001122

    27. [27]

      (27) Zhang, S. Q.; Ye, L.; Zhao, W. C.; Yang, B.; Wang, Q.; Hou, J. H. Sci. China Chem. 2015, 58, 248. doi: 10.1007/s11426-014-5273-x

    28. [28]

      (28) Liu, Y.; Zhao, J.; Li, Z.; Mu, C.; Ma, W.; Hu, H.; Jiang, K.; Lin, H.; Ade, H.; Yan, H. Nat. Commun. 2014, 5, 5293. doi: 10.1038/ncomms6293

    29. [29]

      (29) Liao, S. H.; Jhuo, H. J.; Yeh, P. N.; Cheng, Y. S.; Li, Y. L.; Lee, Y. H.; Sharma, S.; Chen, S. A. Sci. Rep. 2014, 4. doi: 10.1038/Srep06813

    30. [30]

      (30) Mu, C.; Liu, P.; Ma, W.; Jiang, K.; Zhao, J. B.; Zhang, K.; Chen, Z. H.; Wei, Z. H.; Yi, Y.; Wang, J. N.; Yang, S. H.; Huang, F.; Facchetti, A.; Ade, H.; Yan, H. Adv. Mater. 2014, 26, 7224. doi: 10.1002/adma.201402473

    31. [31]

      (31) Lin, Y. Z.; Wang, J. Y.; Zhang, Z. G.; Bai, H. T.; Li, Y. F.; Zhu, D. B.; Zhan, X. W. Adv. Mater. 2015, 27, 1170. doi: 10.1002/adma.201404317

    32. [32]

      (32) Jiang, W.; Li, Y.; Wang, Z. H. Chem. Soc. Rev. 2013, 42, 6113. doi: 10.1039/c3cs60108k

    33. [33]

      (33) Zhong, Y.; Trinh, M. T.; Chen, R. S.; Purdum, G. E.; Khlyabich, P. P.; Sezen, M.; Oh, S.; Zhu, H. M.; Fowler, B.; Zhang, B. Y.; Wang, W.; Nam, C. Y.; Sfeir, M. Y.; Black, C. T.; Steigerwald, M. L.; Loo, Y. L.; Ng, F.; Zhu, X. Y.; Nuckolls, C. Nat. Commun. 2015, 6. doi: 10.1038/Ncomms9242

    34. [34]

      (34) Gao, L.; Zhang, Z. G.; Xue, L. W.; Min, J.; Zhang, J. Q.; Wei, Z. X.; Li, Y. F. Adv. Mater. 2016, 28, 1884. doi: 10.1002/adma.201504629

    35. [35]

      (35) Dai, S.; Zhao, F.; Zhang, Q.; Lau, T.-K.; Li, T.; Liu, K.; Ling, Q.; Wang, C.; Lu, X.; You, W.; Zhan, X. J. Am. Chem. Soc. 2017. doi: 10.1021/jacs.6b12755

    36. [36]

      (36) Yao, H.; Ye, L.; Hou, J.; Jang, B.; Han, G.; Cui, Y.; Su, G. M.; Wang, C.; Gao, B.; Yu, R.; Zhang, H.; Yi, Y.; Woo, H. Y.; Ade, H.; Hou, J. Adv. Mater. 2017, 1700254. doi: 10.1002/adma.201700254

    37. [37]

      (37) Kan, B.; Feng, H.; Wan, X.; Liu, F.; Ke, X.; Wang, Y.; Wang, Y.; Zhang, H.; Li, C.; Hou, J.; Chen, Y. J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 4929. doi: 10.1021/jacs.7b01170

    38. [38]

      (38) Li, S.; Ye, L.; Zhao, W.; Zhang, S.; Ade, H.; Hou, J. Adv. Energy Mater. 2017, 1700183. doi: 10.1002/aenm.201700183

    39. [39]

      (39) Li, S.; Ye, L.; Zhao, W.; Zhang, S.; Mukherjee, S.; Ade, H.; Hou, J. Adv. Mater. 2016, 28, 9423. doi: 10.1002/adma.201602776

    40. [40]

      (40) Lin, Y. Z.; He, Q.; Zhao, F. W.; Huo, L. J.; Mai, J. Q.; Lu, X. H.; Su, C. J.; Li, T. F.; Wang, J. Y.; Zhu, J. S.; Sun, Y. M.; Wang, C. R.; Zhan, X. W. J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 2973. doi: 10.1021/jacs.6b00853

    41. [41]

      (41) Lin, Y. Z.; Zhang, Z. G.; Bai, H. T.; Wang, J. Y.; Yao, Y. H.; Li, Y. F.; Zhu, D. B.; Zhan, X. W. Energy Environ. Sci. 2015, 8, 610. doi: 10.1039/c4ee03424d

    42. [42]

      (42) Li, Y.; Zhong, L.; Wu, F. P.; Yuan, Y.; Bin, H.; Jiang, Z. Q.; Zhang, Z.; Zhang, Z. G.; Li, Y.; Liao, L. S. Energy Environ. Sci. 2016. doi: 10.1039/C6EE00315J

    43. [43]

      (43) Liu, Y.; Zhang, Z.; Feng, S.; Li, M.; Wu, L.; Hou, R.; Xu, X.; Chen, X.; Bo, Z. J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 3356. doi: 10.1021/jacs.7b00566

    44. [44]

      (44) Yang, Y.; Zhang, Z. G.; Bin, H.; Chen, S.; Gao, L.; Xue, L.; Yang, C.; Li, Y. J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 15011. doi: 10.1021/jacs.6b09110

    45. [45]

      (45) Zhao, W.; Li, S.; Zhang, S.; Liu, X.; Hou, J. Adv. Mater. 2017, 29. doi: 10.1002/adma.201604059

    46. [46]

      (46) Liu, D.; Yang, B.; Jang, B.; Xu, B.; Zhang, S.; He, C.; Woo, H. Y.; Hou, J. Energy Environ. Sci. 2017, 10, 546. doi: 10.1039/C6EE03489F

    47. [47]

      (47) Sariciftci, N. S.; Smilowitz, L.; Heeger, A. J.; Wudl, F. Science 1992, 258, 1474. doi: 10.1126/science.258.5087.1474

    48. [48]

      (48) Scharber, M. C.; Mühlbacher, D.; Koppe, M.; Denk, P.; Waldauf, C.; Heeger, A. J.; Brabec, C. J. Adv. Mater. 2006, 18, 789. doi: 10.1002/adma.200501717

    49. [49]

      (49) Bin, H.; Gao, L.; Zhang, Z. G.; Yang, Y.; Zhang, Y.; Zhang, C.; Chen, S.; Xue, L.; Yang, C.; Xiao, M.; Li, Y. Nat. Commun. 2016, 7, 13651. doi: 10.1038/ncomms13651

    50. [50]

      (50) Zhang, H.; Ye, L.; Hou, J. Polym. Int. 2015, 64, 957. doi: 10.1002/pi.4895

    51. [51]

      (51) Ye, L.; Zhang, S.; Zhao, W.; Yao, H.; Hou, J. Chem. Mater. 2014, 26, 3603. doi: 10.1021/cm501513n

    52. [52]

      (52) Menke, S. M.; Holmes, R. J. Energy Environ. Sci. 2014, 7, 499. doi: 10.1039/c3ee42444h

    53. [53]

      (53) Gao, F.; Inganas, O. Phys. Chem. Chem. Phys. 2014, 16, 20291. doi: 10.1039/c4cp01814a

    54. [54]

      (54) Ye, L.; Zhang, S. Q.; Huo, L. J.; Zhang, M. J.; Hou, J. H. Acc. Chem. Res. 2014, 47, 1595. doi: 10.1021/Ar5000743

    55. [55]

      (55) Yao, H. F.; Ye, L.; Zhang, H.; Li, S. S.; Zhang, S. Q.; Hou, J. H. Chem. Rev. 2016, 116, 7397. doi: 10.1021/acs.chemrev.6b00176

    56. [56]

      (56) Huo, L. J.; Zhang, S. Q.; Guo, X.; Xu, F.; Li, Y. F.; Hou, J. H. Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50, 9697. doi: 10.1002/anie.201103313

    57. [57]

      (57) Ye, L.; Jiao, X. C.; Zhang, H.; Li, S. S.; Yao, H. F.; Ade, H.; Hou, J. H. Macromolecules 2015, 48, 7156. doi: 10.1021/acs.macromol.5b01537

    58. [58]

      (58) Zhang, S. Q.; Qin, Y. P.; Uddin, M. A.; Jang, B.; Zhao, W. C.; Liu, D. L.; Woo, H. Y.; Hou, J. H. Macromolecules 2016, 49, 2993. doi: 10.1021/acs.macromol.6b00248

    59. [59]

      (59) Zhao, J.; Li, Y.; Yang, G.; Jiang, K.; Lin, H.; Ade, H.; Ma, W.; Yan, H. Nat. Energy 2016, 1, 15027. doi: 10.1038/nenergy.2015.27

    60. [60]

      (60) Lin, Y.; Zhao, F.; Wu, Y.; Chen, K.; Xia, Y.; Li, G.; Prasad, S. K. K.; Zhu, J.; Huo, L.; Bin, H.; Zhang, Z. G.; Guo, X.; Zhang, M.; Sun, Y.; Gao, F.; Wei, Z.; Ma, W.; Wang, C.; Hodgkiss, J.; Bo, Z.; Inganäs, O.; Li, Y.; Zhan, X. Adv. Mater. 2016, 29, 1604155. doi: 10.1002/adma.201604155

    61. [61]

      (61) Min, J.; Zhang, Z.-G.; Zhang, S.; Li, Y. Chem. Mater. 2012, 24, 3247. doi: 10.1021/cm3017006

    62. [62]

      (62) Bin, H.; Zhang, Z.-G.; Gao, L.; Chen, S.; Zhong, L.; Xue, L.; Yang, C.; Li, Y. J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 4657. doi: 10.1021/jacs.6b01744

    63. [63]

      (63) Zhao, F.; Dai, S.; Wu, Y.; Zhang, Q.; Wang, J.; Jiang, L.; Ling, Q.; Wei, Z.; Ma, W.; You, W.; Wang, C.; Zhan, X. Adv. Mater. 2017, 29, 1700144. doi: 10.1002/adma.201700144

    64. [64]

      (64) Qian, D.; Ye, L.; Zhang, M.; Liang, Y.; Li, L.; Huang, Y.; Guo, X.; Zhang, S.; Tan, Z. a.; Hou, J. Macromolecules 2012, 45, 9611. doi: 10.1021/ma301900h

    65. [65]

      (65) Gao, L.; Zhang, Z. G.; Bin, H.; Xue, L.; Yang, Y.; Wang, C.; Liu, F.; Russell, T. P.; Li, Y. Adv. Mater. 2016, 28, 8288. doi: 10.1002/adma.201601595

    66. [66]

      (66) Cui, Y.; Yao, H.; Gao, B.; Qin, Y.; Zhang, S.; Yang, B.; He, C.; Xu, B.; Hou, J. J. Am. Chem. Soc. 2017. doi: 10.1021/jacs.7b01493

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  3
  • 文章访问数:  1089
  • HTML全文浏览量:  98
文章相关
  • 收稿日期:  2017-05-29
  • 修回日期:  2017-06-11
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章