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全聚合物有機(jī)太陽能電池（All-PSCs）主要利用共軛聚合物作為電子給體和受體，由于其比基于小分子受體（SMAs）的有機(jī)太陽能電池（OSCs）具有更高的熱穩(wěn)定性和機(jī)械穩(wěn)定性，被認(rèn)為是最有應(yīng)用前景的一類OSCs。目前廣泛研究的聚合物受體主要基于的結(jié)構(gòu)包括萘二酰亞胺、苝二酰亞胺、雙氰基苯并二氮唑和B-N橋聯(lián)吡啶等，由于其分子的低吸收系數(shù)，基于這些聚合物受體的All-PSCs的光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）大多低于12%。2017年，中科院化學(xué)所李永舫院士課題組提出了一種構(gòu)建新型聚合小分子受體的策略，這些受體分子表現(xiàn)出低帶隙和強(qiáng)吸收，非常適合制備All-PSCs。受此策略的啟發(fā)，近年來，人們在聚合小分子受體的設(shè)計(jì)方面進(jìn)行了大量的工作，并取得了很大的進(jìn)展，PCE也已超過14%，但目前All-PSCs的技術(shù)水平仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于基于SMAs的OSCs。

事實(shí)上，開發(fā)一種合適的器件是非常具有挑戰(zhàn)性的，要求聚合物給體與聚合物受體相互匹配，從而提高All-PSCs的整體性能。由于開路電壓（VOC）與給體的HOMO軌道和受體的LUMO軌道之間的能級差密切相關(guān)，而能級偏移則是給受體界面電荷有效分離的關(guān)鍵，通過化學(xué)結(jié)構(gòu)的改變來微調(diào)給受體材料的能級，同時(shí)實(shí)現(xiàn)器件中高VOC和高效率的電荷分離一直是OSCs領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。



圖1:相關(guān)分子結(jié)構(gòu)與光譜性能，能級排列圖1:相關(guān)分子結(jié)構(gòu)與光譜性能，能級排列

基于以上的關(guān)鍵性問題，近日，華南理工大學(xué)黃飛教授、王小慧教授以及張凱博士等人合作設(shè)計(jì)了三種新型聚合物給體分子，分別是JD40，JD40-S和JD40-S-F。這三種給體都是由一種稠環(huán)受體單元fDTBT和苯并二噻吩（BDT）結(jié)構(gòu)單元聚合而成，唯一的區(qū)別在于硫原子與氟原子的不同取代。研究結(jié)果表明，官能化硫或氟取代賦予這些聚合物給體非常相似的帶隙和線性變化的能級。通過與該課題組報(bào)道過的高性能聚合小分子受體PJ1相匹配，研究人員進(jìn)一步表征了三種不同器件的光伏性能，并系統(tǒng)地研究了這些器件的電荷分離與復(fù)合、載流子運(yùn)輸和共混物形貌。

研究發(fā)現(xiàn)，所制備的不同All-PSCs器件都表現(xiàn)出0.9 V以上的高VOC。更重要的是，通過犧牲部分開路電壓，這些器件獲得了更有效的電荷轉(zhuǎn)移和較少的電荷復(fù)合，從而顯著提高了短路電流密度（JSC）、填充因子（FF）和PCE?；贘D40:PJ1的All-PSCs最終效率達(dá)到了創(chuàng)紀(jì)錄的15.8%，同時(shí)該器件還具有良好的熱穩(wěn)定性，在90℃下退火240小時(shí)后，仍能保持初始效率85%以上。此外，該體系在面積為1 cm2的器件和半透明器件方面也表現(xiàn)出了非常優(yōu)異的性能，PCE分別為14.4%和10.3%。所有的這些結(jié)果都表明，fDTBT基團(tuán)在制備高性能All-PSCs方面的巨大應(yīng)用潛力。 總之，該工作不僅開發(fā)出一系列新型高性能聚合物給體材料，同時(shí)證實(shí)了能級偏移在促進(jìn)電荷分離中的重要作用，并證明fDTBT可以作為一種很有前景的聚合物給體構(gòu)建單元，以用于后續(xù)的相關(guān)研究之中。

相關(guān)研究成果現(xiàn)已發(fā)表在《Journal of Materials Chemistry A》上，題為“All-PolymerSolar Cell with Efficiency Approaching 16% Enabled by Dithieno[3',2':3,4;2'',3'':5,6]benzo[1,2-c][1,2,5]thiadiazole (fDTBT)-based Polymer Donor”。 

原標(biāo)題：黃飛等人：基于fDTBT結(jié)構(gòu)的全聚合物有機(jī)太陽能電池效率接近16%