吡咯烷基富勒烯衍生物：制備、表征及光伏性能研究

【摘要】：富勒烯C60、C70具有還原電位低,重組能低等優(yōu)點,因此理論上是理想的電子受體材料。但由于其溶解性差、易聚集,實際應(yīng)用中一般以富勒烯衍生物例如PCBM、ICBA等作為受體材料。其中,PCBM是目前應(yīng)用最為廣泛的聚合物太陽能電池的受體材料,基于PC71BM的聚合物電池的效率最高可達(dá)11.3%。近年來,多種新型富勒烯衍生物被合成出來并報道,它們大多具有合成路線簡單,性能優(yōu)良等特點,有望取代PCBM成為新一代的聚合物太陽能電池受體材料。吡咯烷基富勒烯是一類典型的富勒烯衍生物,其合成相對簡單,LUMO能級較高,理論上是一類較好的電子受體材料。但是到目前為止,關(guān)于性能優(yōu)良的吡咯烷基富勒烯電子受體材料的報道相對較少。本文通過1,3-偶極環(huán)加成的方法合成了一系列吡咯烷基富勒烯衍生物(FPx),并用質(zhì)譜(MALDI-TOF mass),核磁氫譜(1H NMR),吸收光譜(UV-vis absorption spectrum),循環(huán)伏安(Cyclic voltammogram),熱重分析(Thermogravimetric analysis),DFT-計算等手段清楚的表征了它們的結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性質(zhì)。結(jié)果顯示具有不同取代基的吡咯烷基富勒烯具有非常相似的吸收光譜,電化學(xué)性質(zhì)、熱穩(wěn)定性以及LUMO能級。為了確定并比較具有不同取代基的吡咯烷基富勒烯的光伏性能,我們以這些衍生物作為受體材料構(gòu)筑聚合物太陽能電池。實驗結(jié)果顯示,具有不同取代基的吡咯烷基富勒烯的光伏性能明顯不同。其中,N-苯基取代衍生物的光伏性能明顯優(yōu)于N-甲基取代衍生物,以其作為受體材料構(gòu)筑的電池顯示了相對較高的光電轉(zhuǎn)換效率,最高可達(dá)3.19%,比較接近基于PC61BM的電池效率3.31%。我們進(jìn)一步用原子力顯微鏡(Atomic force microscopy),透射電鏡(Transmission electron microscopy)以及X-射線衍射(X-ray diffraction)表征了光活性層的形貌,并用空間電荷限制電流(Space charge limited current)器件的方法表征了具有不同取代基的衍生物的電子遷移率。實驗結(jié)果顯示:與N-甲基取代衍生物相比,N-苯基取代衍生物顯示較高的電子遷移率以及較好的與聚合物的混合性,因此可以很好的解釋后者良好的光伏性能。我們由此得出結(jié)論:適當(dāng)?shù)倪x擇取代基的類型可以有效的改善富勒烯衍生物的光伏性能。此外,本論文工作還合成了具有較高LUMO能級的二加成吡咯烷基富勒烯衍生物和吡咯烷基C70衍生物。并嘗試以它們作為電子受體材料構(gòu)筑聚合物太陽能電池。其中,基于二加成衍生物的電池的Voc高達(dá)0.82～0.85 V,明顯高于基于PC61BM的電池的Voc(0.65 V)。但是由于二加成衍生物包含多個異構(gòu)體,電池的Jsc較低,因此光電轉(zhuǎn)換效率較低(2%)。由此,我們或可預(yù)期基于異構(gòu)體純的二加成吡咯烷基富勒烯的電池不但具有較高的Voc,且具有較高的Jsc,FF以及PCE。 【關(guān)鍵詞】：聚合物太陽能電池 受體材料 富勒烯吡咯烷衍生物 取代基
【學(xué)位授予單位】：蘇州大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TM914.4
【目錄】：

• 中文摘要4-6
• Abstract6-11
• 第一章 緒論11-35
• 1.1 引言11-12
• 1.2 有機(jī)太陽能電池的分類12-13
• 1.3 有機(jī)太陽能電池的光-電轉(zhuǎn)換機(jī)理13-17
• 1.3.1 光吸收和激子的產(chǎn)生13-14
• 1.3.2 激子的擴(kuò)散和解離14
• 1.3.3 電荷轉(zhuǎn)移復(fù)合物的分離14-15
• 1.3.4 電荷載流子的傳輸15-16
• 1.3.5 電荷載流子的復(fù)合16
• 1.3.6 電荷載流子的輸出16-17
• 1.4 有機(jī)太陽能電池的主要性能參數(shù)17-19
• 1.4.1 開路電壓18
• 1.4.2 短路電流18
• 1.4.3 填充因子18-19
• 1.5 體異質(zhì)結(jié)有機(jī)太陽能電池的光活性層形貌影響因素19-21
• 1.5.1 溶劑19
• 1.5.2 混合比例的影響19
• 1.5.3 退火的影響19-20
• 1.5.4 添加劑的作用20
• 1.5.5 化學(xué)結(jié)構(gòu)的影響20-21
• 1.6 富勒烯衍生物受體光伏材料21-26
• 1.6.1 PCBM類衍生物21-22
• 1.6.2 雙加成富勒烯衍生物22-23
• 1.6.3 內(nèi)嵌富勒烯衍生物23-24
• 1.6.4 其它富勒烯衍生物24-26
• 1.7 選題依據(jù)及研究內(nèi)容26-27
• 參考文獻(xiàn)27-35
• 第二章 實驗試劑和儀器及材料表征方法35-40
• 2.1 實驗試劑和儀器35-36
• 2.1.1 實驗試劑35-36
• 2.1.2 實驗儀器36
• 2.2 材料結(jié)構(gòu)物性表征36-38
• 2.2.1 高效液相色譜（HPLC）分析36
• 2.2.2 質(zhì)譜（MS）測試36-37
• 2.2.3 核磁共振H譜（1H NMR）測試37
• 2.2.4 紫外光譜（UV-Vis）測試37
• 2.2.5 熱重分析（TGA）測試37
• 2.2.6 差示掃描量熱（DSC）測試37-38
• 2.3 電化學(xué)測試38
• 2.3.1 三電極測試裝置38
• 2.3.2 循環(huán)伏安（CV）測試38
• 2.4 光活性層形貌表征38-39
• 2.4.1 原子力顯微鏡（AFM）表征38
• 2.4.2 透射電子顯微鏡（TEM）表征38-39
• 2.4.3 X射線衍射(XRD) 表征39
• 2.5 光伏測試及載流子遷移率測試39-40
• 2.5.1 電流-電壓（J-V）特性曲線測試39
• 2.5.2 SCLC測試39-40
• 第三章 一系列富勒烯吡咯烷衍生物的制備40-67
• 3.1 引言40
• 3.2 單加成富勒烯吡咯烷衍生物FPx (x=1～8)的制備40-42
• 3.3 FP1～FP8 的表征42-58
• 3.3.1 高效液相色譜（HPLC）42-43
• 3.3.2 質(zhì)譜（MALDI-TOF-mass）43-47
• 3.3.3 核磁共振氫譜（~1H NMR）及碳譜（~(13)C NMR）47-54
• 3.3.4 紫外-可見（UV-vis）吸收光譜54-55
• 3.3.5 熱重分析（TGA）55-56
• 3.3.6 電化學(xué)測試56-58
• 3.4 雙加成富勒烯吡咯烷衍生物及C70的單加成富勒烯吡咯烷衍生物（FP11～FP13）的合成及表征58-62
• 3.4.1 FP11～FP13 的合成58-59
• 3.4.2 FP11～FP13 的表征59-62
• 3.5 本章小結(jié)62-63
• 參考文獻(xiàn)63-67
• 第四章 有機(jī)太陽能電池器件的制作及光伏性能表征67-81
• 4.1 引言67
• 4.2 聚合物太陽能電池器件的制備67-68
• 4.3 FP1～FP8 的光伏性能表征68-73
• 4.3.1 不同D/A質(zhì)量比對器件性能的影響68-69
• 4.3.2 溶劑退火（Solvent annealing, abbreviated as SA）對器件性能的影響69-70
• 4.3.3 熱退火（Thermal annealing, abbreviated as TA）對器件性能的影響70-72
• 4.3.4 吡咯烷基取代基對器件性能的影響72-73
• 4.4 光活性層的形貌及性質(zhì)表征73-77
• 4.4.1 AFM表征73-75
• 4.4.2 TEM表征75
• 4.4.3 XRD表征75-77
• 4.4.4 電子遷移率測試77
• 4.5 FP11～FP13 的光伏性能表征77-78
• 4.6 本章小結(jié)78-79
• 參考文獻(xiàn)79-81
• 第五章 全文總結(jié)與展望81-83
• 碩士期間的學(xué)術(shù)成果83-84
• 致謝84-85

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