液晶分子在有机太阳能电池中的应用研究进展

doi:10.19894/j.issn.1000-0518.210359

摘要/Abstract

摘要：

液晶分子应用于有机太阳能电池器件是近年来光电领域的研究热点之一。液晶分子是一类兼具晶体和液体性质的功能性软材料，且具有较强的自组装特性。利用液晶分子的光吸收互补可有效调控有机太阳能电池的光吸收范围。此外，液晶分子具有强结晶性，能诱导活性层分子自组装提高其有序性，同时能提高分子结晶性能，从而提高活性层电荷迁移率，最终提高有机太阳能电池器件的短路电流和填充因子。因此，本文从液晶分子在活性层组分中发挥的作用出发，综述了其分别作为有机太阳能电池活性层材料和添加剂的研究进展。最后，对液晶分子在有机太阳能电池应用过程中存在的问题及今后的发展进行了总结和展望。

关键词: 有机太阳能电池, 液晶分子, 有序性, 形貌调控

Abstract:

Application of liquid crystal molecules in organic solar cell （OSC） device is one of the research focuses in the optoelectronic field in recent years. Liquid crystal molecules are a kind of functional soft materials with both crystal and liquid properties， and have strong self-assembly characteristics. The light absorption range of OSCs can be effectively controlled by using the light absorption complementarity of liquid crystal molecules. In addition， the liquid crystal molecules have strong crystallinity， which can induce the self-assembly of active layer molecules to enhance their order， and at the same time improve the molecular crystallization performance， thereby increasing the charge mobility of active layer， and ultimately increasing the short-circuit current （J_sc） and fill factor （FF） of the OSC devices. Therefore， this paper， which starts from the role of liquid molecules in active layer components， reviews the application of liquid crystal molecules as active layer materials and additives for OSCs. Finally， the existing problems and future development of liquid crystal molecules in the application of OSCs are summarized and prospected.

Key words: Organic solar cells, Liquid crystal molecules, Order, Morphology control

中图分类号:

O649

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图/表 10

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活性层 Active layer	给体/受体质量比D/A mass ratio	空穴传输层 Hole transport layer	电子传输层 Electron transport layer	开路电压 V_oc/V	短路电流J_sc/（mA·cm^-2）	填充因子FF/%	能量转换效率PCE/%	参考文献Ref.
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P3HT：C₆₀?bp?CN	1∶1	PEDOT：PSS	LiF	0.52	5.5	23	0.65	［42］
P3HT?b?Pterph：PC₆₁BM	1∶1	PEDOT：PSS	LiF	0.54	4.42	23.6	0.56	［31］
P3HT?b?PTP：PC₆₁BM	1∶1	PEDOT：PSS	LiF	0.56	4.73	23.9	0.63	［31］
BTR：PC₇₁BM	1∶1	PEDOT：PSS	Ca	0.90	13.90	74.1	9.3	［34］
BTR：Y6：PC₇₁BM	1.6∶0.7∶0.3	PEDOT：PSS	Phen?NaDPO	0.859	22.21	62	11.82	［58］
BTR：Y6	1.6∶1	PEDOT：PSS	Phen?NaDPO	0.85	22.25	56.4	10.67	［35］
BTR?Cl：Y6	1.6∶1	PEDOT：PSS	Phen?NaDPO	0.86	24.17	65.5	13.61	［35］
BTR?Cl：Y6：PC₇₁BM	1.8∶1∶0.1	PEDOT：PSS	Phen?NaDPO	0.837	23.75	77.11	15.34	［28］
BTR?Cl：Y6	1.6∶1	PEDOT：PSS	ZrAcac	0.829	23.42	68.9	13.48	［29］
BTR?Cl：Y6：anti?PDFC	1.6∶1∶0.1	PEDOT：PSS	ZrAcac	0.837	23.97	72.6	14.56	［29］
BTR?Cl：Y6：syn?PDFC	1.6∶1∶0.15	PEDOT：PSS	ZrAcac	0.839	23.41	71.8	14.09	［29］
BTR?Cl：Y6：PDFC?Ph	1.6∶1∶0.1	PEDOT：PSS	ZrAcac	0.837	23.62	65	12.76	［29］
BTR?Cl：Y6：anti?PDFC：PC₇₁BM	1.7∶1∶0.1∶0.1	PEDOT：PSS	ZrAcac	0.836	25.01	74.9	15.67	［29］
BTR：Y6	1∶0.6	PEDOT：PSS	Phen?NaDPO	0.83	22.1	61	11.1	［59］
BTR?TE：Y6	1∶0.6	PEDOT：PSS	Phen?NaDPO	0.84	23.4	67	13.2	［59］
BTR?TIPS：Y6	1∶0.6	PEDOT：PSS	Phen?NaDPO	0.83	18.5	54	8.3	［59］
NDT?3T?R4：Y6	1∶0.6	PEDOT：PSS	Ca	0.76	17.02	71.4	9.2	［60］
NDT?3T?R6：Y6	1∶0.8	PEDOT：PSS	Ca	0.78	18.89	72.8	10.7	［60］
BQR：PC₇₁BM	1∶1	PEDOT：PSS	Ca	0.92	14.90	65	8.9	［61］
DPP?TP6：PC₇₁BM	1∶1	PEDOT：PSS	LiF	0.93	8.4	55	4.3	［63］

活性层 Active layer	给体/受体质量比D/A mass ratio	空穴传输层 Hole transport layer	电子传输层 Electron transport layer	开路电压 V_oc/V	短路电流J_sc/（mA·cm^-2）	填充因子FF/%	能量转换效率PCE/%	参考文献Ref.
PFcbpDTBT：PC₆₁BM	1∶3	PEDOT：PSS	LiF	0.68	3.38	48	1.10	［27］
P3HT：C₆₀?bp?CN	1∶1	PEDOT：PSS	LiF	0.52	5.5	23	0.65	［42］
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BTR：PC₇₁BM	1∶1	PEDOT：PSS	Ca	0.90	13.90	74.1	9.3	［34］
BTR：Y6：PC₇₁BM	1.6∶0.7∶0.3	PEDOT：PSS	Phen?NaDPO	0.859	22.21	62	11.82	［58］
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BTR?Cl：Y6：PC₇₁BM	1.8∶1∶0.1	PEDOT：PSS	Phen?NaDPO	0.837	23.75	77.11	15.34	［28］
BTR?Cl：Y6	1.6∶1	PEDOT：PSS	ZrAcac	0.829	23.42	68.9	13.48	［29］
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BTR?Cl：Y6：PDFC?Ph	1.6∶1∶0.1	PEDOT：PSS	ZrAcac	0.837	23.62	65	12.76	［29］
BTR?Cl：Y6：anti?PDFC：PC₇₁BM	1.7∶1∶0.1∶0.1	PEDOT：PSS	ZrAcac	0.836	25.01	74.9	15.67	［29］
BTR：Y6	1∶0.6	PEDOT：PSS	Phen?NaDPO	0.83	22.1	61	11.1	［59］
BTR?TE：Y6	1∶0.6	PEDOT：PSS	Phen?NaDPO	0.84	23.4	67	13.2	［59］
BTR?TIPS：Y6	1∶0.6	PEDOT：PSS	Phen?NaDPO	0.83	18.5	54	8.3	［59］
NDT?3T?R4：Y6	1∶0.6	PEDOT：PSS	Ca	0.76	17.02	71.4	9.2	［60］
NDT?3T?R6：Y6	1∶0.8	PEDOT：PSS	Ca	0.78	18.89	72.8	10.7	［60］
BQR：PC₇₁BM	1∶1	PEDOT：PSS	Ca	0.92	14.90	65	8.9	［61］
DPP?TP6：PC₇₁BM	1∶1	PEDOT：PSS	LiF	0.93	8.4	55	4.3	［63］

活性层 Active layer	添加剂含量 Additive contents/%	空穴传输层 Hole transport layer	电子传输层 Electron transport layer	开路电压V_oc/V	短路电流J_sc/（mA·cm^-2）	填充因子FF/%	能量转换效率PCE/%	参考文献Ref.
P3HT：PC₆₁BM：AZO1	5	PEDOT：PSS	-	0.53	16.48	30	2.44	［66］
P3HT：PC₆₁BM：AZO2	5	PEDOT：PSS	-	0.48	16.73	31	2.40	［66］
P3HT：PC₆₁BM：5CB	3	PEDOT：PSS	LiF	0.604	8.86	61.13	3.27	［67］
P3HT：PC₆₁BM：8CB	4	PEDOT：PSS	LiF	0.604	9.64	63.94	3.72	［67］
P3HT：PC₆₁BM：DLC1	3	PEDOT：PSS	LiF	0.65	9.30	63.60	3.90	［30］
P3HT：PC₆₁BM：DLC2	3	PEDOT：PSS	LiF	0.67	9.15	64.94	3.97	［30］
P3HT：PC₆₁BM：5CT	3	PEDOT：PSS	LiF	0.621	9.87	56.6	3.5	［68］
P3HT：PC₆₁BM：P3HT?b?Pterph	3	PEDOT：PSS	LiF	0.60	9.58	58.1	3.34	［31］
P3HT：PC₆₁BM：P3HT?b?PTP	5	PEDOT：PSS	LiF	0.60	10.36	64.9	4.03	［31］
PTB7?Th：BTR：PC₇₁BM	25	MoO₃	ZnO	0.75	21.4	70	11.40	［33］
PTB7?Th：BTR：PC₇₁BM	10	PEDOT：PSS	PFN	0.78	19.23	72.21	10.83	［69］
PCE10：BTR：PC₇₁BM	20	MoO_x	ZnO	0.794	17.62	64.52	10.88	［70］
PM6：BTR：Y6	5	PEDOT：PSS	PFNBr	0.839	25.8	76.7	16.6	［32］
P3HT：PC₆₁BM：DFBT?TT6	4	MoO₃	ZnO	0.626	9.27	67.3	3.91	［71］
PM6：Y6：DFBT?TT6	3	PEDOT：PSS	PDINO	0.845	26.56	76	17.05	［36］
PTB7：DPP?TP6：PC₇₁BM	8	MoO₃	ZnO	0.73	15.54	69.2	7.85	［72］

活性层 Active layer	添加剂含量 Additive contents/%	空穴传输层 Hole transport layer	电子传输层 Electron transport layer	开路电压V_oc/V	短路电流J_sc/（mA·cm^-2）	填充因子FF/%	能量转换效率PCE/%	参考文献Ref.
P3HT：PC₆₁BM：AZO1	5	PEDOT：PSS	-	0.53	16.48	30	2.44	［66］
P3HT：PC₆₁BM：AZO2	5	PEDOT：PSS	-	0.48	16.73	31	2.40	［66］
P3HT：PC₆₁BM：5CB	3	PEDOT：PSS	LiF	0.604	8.86	61.13	3.27	［67］
P3HT：PC₆₁BM：8CB	4	PEDOT：PSS	LiF	0.604	9.64	63.94	3.72	［67］
P3HT：PC₆₁BM：DLC1	3	PEDOT：PSS	LiF	0.65	9.30	63.60	3.90	［30］
P3HT：PC₆₁BM：DLC2	3	PEDOT：PSS	LiF	0.67	9.15	64.94	3.97	［30］
P3HT：PC₆₁BM：5CT	3	PEDOT：PSS	LiF	0.621	9.87	56.6	3.5	［68］
P3HT：PC₆₁BM：P3HT?b?Pterph	3	PEDOT：PSS	LiF	0.60	9.58	58.1	3.34	［31］
P3HT：PC₆₁BM：P3HT?b?PTP	5	PEDOT：PSS	LiF	0.60	10.36	64.9	4.03	［31］
PTB7?Th：BTR：PC₇₁BM	25	MoO₃	ZnO	0.75	21.4	70	11.40	［33］
PTB7?Th：BTR：PC₇₁BM	10	PEDOT：PSS	PFN	0.78	19.23	72.21	10.83	［69］
PCE10：BTR：PC₇₁BM	20	MoO_x	ZnO	0.794	17.62	64.52	10.88	［70］
PM6：BTR：Y6	5	PEDOT：PSS	PFNBr	0.839	25.8	76.7	16.6	［32］
P3HT：PC₆₁BM：DFBT?TT6	4	MoO₃	ZnO	0.626	9.27	67.3	3.91	［71］
PM6：Y6：DFBT?TT6	3	PEDOT：PSS	PDINO	0.845	26.56	76	17.05	［36］
PTB7：DPP?TP6：PC₇₁BM	8	MoO₃	ZnO	0.73	15.54	69.2	7.85	［72］

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[3]	张小梅, 李淼淼, 王琪, 江宇, 耿延候. 基于二噻吩并吡咯π桥的窄带隙非富勒烯受体材料在有机太阳能电池中的应用[J]. 应用化学, 2019, 36(9): 1023-1034.
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