新型富勒烯受體光伏材料的合成及光伏性能研究

【摘要】：聚合物太陽能電池(Polymer Solar Cells, PSCs)由于原材料來源廣泛、成本低、重量輕、柔性可彎折、易于大面積制備等突出的優(yōu)點近年來受到廣泛的關(guān)注。對于常用的體相異質(zhì)結(jié)聚合物太陽能電池而言,光活性層材料一般由共軛聚合物作為給體光伏材料和富勒烯衍生物作為受體光伏材料物理共混而成。富勒烯因其接受電子能力強,電子遷移率高,與共軛聚合物共混產(chǎn)生超快光誘導(dǎo)電荷轉(zhuǎn)移現(xiàn)象等獨特性質(zhì)使其成為優(yōu)良的電子受體光伏材料。但本論文集中于設(shè)計與合成的新型富勒烯受體光伏材料并將其應(yīng)用于聚合物太陽能電池,開展了以下兩個方面的工作： (1)通過簡單的酯化反應(yīng),首次將染料分子3-乙基繞丹寧連接到[6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯(PCBM)上,合成了具有增強的光吸收性能的新型富勒烯受體光伏材料PCBRh。紫外-可見吸收光譜表征表明所合成的PCBRh在300-600nm比起PCBM具有更強的光吸收,這歸因于3-乙基繞丹寧高的吸光系數(shù)。電化學(xué)測試表明PCBRh的LUMO能級比PCBM高0.10eV,這是由于繞丹寧基團的給電子性質(zhì)造成的。將PCBRh作為受體光伏材料與聚己基噻吩(P3HT)共混構(gòu)建出體相異質(zhì)結(jié)太陽能電池,在優(yōu)化的制備工藝(P3HT/PCBRh=1:1(w/w),135℃熱處理10min)下,電池器件的能量轉(zhuǎn)換效率為1.46%。AFM表征表明退火處理對光活性層的形貌有著非常顯著的影響：未退火時P3HT與PCBRh中存在很多分立的球形聚集,而退火后P3HT則聚集成長度約為20nm的長條,有利于載流子的遷移,使效率比未退火時明顯增加。 (2)以提高受體光伏材料LUMO能級為出發(fā)點,將富電子基團雙(5-甲基噻吩)酮通過重氮化反應(yīng)直接加成到富勒烯C60上,分別得到單加成衍生物DMTCMA和雙加成衍生物DMTCBA。紫外-可見光譜表征,電化學(xué)測試結(jié)果表明DMTCMA和DMTCBA的LUMO能級比PCBM分別分別提高了0.06eV、0.11eV。將DMTCMA和DMTCBA分別作為受體光伏材料與P3HT共混組裝成的體相異質(zhì)結(jié)聚合物太陽能電池器件的開路電壓均大大提高,其中基于DMTCBA的器件開路電壓達到0.76V,而同等條件下參比P3HT:PCBM電池開路電壓為0.61V?；贒MTCMA與DMTCBA受體光伏材料的電池器件效率分別為1.45%和0.82%,均低于基于PCBM的參比電池的效率。AFM分析結(jié)果表明,基于DMTCBA受體光伏材料的電池器件性能偏低的主要原因是光活性層薄膜過大的相分離不利于激子的擴散與分離,這可能是由于雙加成DMTCBA富勒烯分子不易堆疊結(jié)晶,而P3HT優(yōu)先結(jié)晶造成過大的P3HT相聚集造成的。 【關(guān)鍵詞】：聚合物太陽能電池 富勒烯 功能化 3-乙基繞丹寧 染料 噻吩 [6 6]- 苯基-C_(61)-丁酸甲酯 酯化反應(yīng) 重氮化反應(yīng) 能量轉(zhuǎn)換效率
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TM914.4;O611.3
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 第一章 緒論11-32
• 1.1 引言11-12
• 1.2 聚合物太陽能電池原理與結(jié)構(gòu)12-15
• 1.2.1 聚合物太陽能電池基本工作原理12-14
• 1.2.2 聚合物太陽能電池結(jié)構(gòu)14-15
• 1.3 聚合物太陽能電池的器件性能表征15-16
• 1.4 聚合物太陽能電池材料的設(shè)計16-18
• 1.4.1 理想聚合物太陽能電池光伏材料性質(zhì)16-18
• 1.4.2 聚合物太陽能電池光伏材料設(shè)計策略18
• 1.5 聚合物太陽能電池光伏材料18-27
• 1.5.1 給體光伏材料18-20
• 1.5.2 富勒烯受體光伏材料的研究進展20-27
• 1.5.2.1 富勒烯的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)20-21
• 1.5.2.2 PCBM21-23
• 1.5.2.3 PCBM型富勒烯衍生物23-25
• 1.5.2.4 內(nèi)嵌富勒烯衍生物25
• 1.5.2.5 雙加成和多加成富勒烯衍生物25-27
• 1.6 本論文的研究思路和主要內(nèi)容27-28
• 參考文獻28-32
• 第二章 繞丹寧修飾的富勒烯受體光伏材料及其光伏性能32-51
• 2.1 引言32-33
• 2.2 實驗部分33-36
• 2.2.1 實驗藥品33
• 2.2.2 測試儀器33-34
• 2.2.3 聚合物太陽能電池的制備與表征34-35
• 2.2.4 新型富勒烯受體光伏材料PCBRh的合成35-36
• 2.3 結(jié)果與討論36-47
• 2.3.1 PCBRh的合成與表征36-39
• 2.3.2 PCBRh的電子吸收光譜和熒光性能39-40
• 2.3.3 PCBRh的電化學(xué)性質(zhì)40-42
• 2.3.4 PCBRh的光伏性能表征42-47
• 2.4 本章小結(jié)47-48
• 參考文獻48-51
• 第三章 雙(5-甲基噻吩)亞甲基-C_(60)衍生物作為受體光伏材料提高聚合物太陽能電池的開路電壓51-69
• 3.1 引言51-52
• 3.2 實驗部分52-55
• 3.2.1 實驗藥品52
• 3.2.2 實驗儀器52-53
• 3.2.3 聚合物太陽能電池的制備與表征53-54
• 3.2.4 雙(5-甲基噻吩基)亞甲基-C_(60)受體DMTCMA和DMTCBA的合成54-55
• 3.3 結(jié)果與討論55-64
• 3.3.1 合成與表征55-60
• 3.3.2 光學(xué)性質(zhì)表征60-61
• 3.3.3 電化學(xué)性質(zhì)表征61-62
• 3.3.4 DMTCMA和DMTCBA的光伏性能表征62-64
• 3.4 本章小結(jié)64-66
• 參考文獻66-69
• 第四章 總結(jié)與展望69-72
• 4.1 本文總結(jié)69-70
• 4.2 工作展望70-71
• 參考文獻71-72
• 致謝72-73
• 在讀期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文73

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