聚3-己基噻吩：碳微球復合膜的制備及光伏性能

【摘要】：由于傳統(tǒng)能源的逐漸枯竭和一次能源燃燒引起的環(huán)境污染,迫切需要開發(fā)新的可再生能源。太陽能作為一種新型清潔可再生能源,無疑是具有開發(fā)前景的。有機光伏電池的出現(xiàn),提供了一種收集并利用太陽能的技術(shù),是新型低成本、低碳電力的首選?；诠曹椌酆衔镫娮咏o體和碳材料電子受體的聚合物太陽能電池已經(jīng)引起了廣泛的關(guān)注。富勒烯、碳納米管和石墨烯的碳膜材料最近在太陽能電池方面已經(jīng)取得了突破性進展,但電池的光電轉(zhuǎn)化效率依然很低,成本較高。作為富勒烯類的一種碳材料,碳微球(CMSs)由于其制作工藝簡單、成本低,具有優(yōu)異的物化性能而成為一種潛在的聚合物太陽能電池受體材料。但由于其在水或有機溶劑中不溶、難分散等特點,導致未能充分發(fā)揮其優(yōu)異的性能,很大程度地限制了其應(yīng)用范圍。所以,選擇經(jīng)表面修飾的CMSs為受體材料,常用的共軛聚合物聚-3己基噻吩(P3HT)為給體材料,合成以P3HT:CMSs為活性層的本體異質(zhì)結(jié)型聚合物太陽能電池,旨在進一步降低成本、提高效率。 本文首先借助于雙層CMSs表面性質(zhì)的理論研究,考察CMSs能級結(jié)構(gòu)和光電性能的關(guān)系。然后以P3HT:CMSs本體異質(zhì)結(jié)復合膜的制備為目的,選用CVD法制備的原始CMSs為原料,用混酸(濃硝酸／濃硫酸體積比為3：1)對CMSs進行氧化制備氧化CMSs (O-CMSs),進而選用1,6-己二胺(HDA)和十二胺(DDA)對O-CMSs胺化改性,制備HDA胺化CMSs (Al-CMSs)和DDA胺化CMSs (A2-CMSs),通過考察N,N-二甲基甲酰胺(DCC)的用量、反應(yīng)時間和反應(yīng)溫度對反應(yīng)產(chǎn)物的影響,優(yōu)化工藝參數(shù),進一步提高CMSs的分散性和能級匹配性；并制備P3HT:O-CMSs、P3HT:Al-CMSs和P3HT:A2-CMSs的復合薄膜,考察其光學性能,在此過程中,討論了共混比例、旋涂轉(zhuǎn)速、旋涂濃度和退火等因素對薄膜的影響。最后選用優(yōu)化條件下的薄膜作為聚合物電池的光敏活性層,探索其光伏性能。最終優(yōu)選一種與P3HT能級匹配、電池性能良好的聚合物太陽能電池受體材料。結(jié)果如下： 1.以雙層CMSs (結(jié)構(gòu)為C60@C240)為例,利用密度泛函理論(DFT)計算了不同數(shù)量的羧基與C60@C240表面接枝后結(jié)構(gòu)、帶隙變化規(guī)律以及相應(yīng)的前線分子軌道圖。發(fā)現(xiàn)接枝有機官能團,可以改善體系的表面化學性質(zhì),不同的成鍵性質(zhì)決定了體系中能級、帶隙和相應(yīng)的光學性質(zhì)。 2.對于0.3g O-CMSs,當DCC為0.3g、反應(yīng)時間36h、反應(yīng)溫度110℃制備得到形貌規(guī)整Al-CMSs;對于0.2g O-CMSs,當DCC為0.4g、反應(yīng)時間24h、反應(yīng)溫度70℃制備得到形貌規(guī)整A2-CMSs;對CMSs的氧化、HAD胺化和DDA胺化三種修飾均能改善CMSs在氯仿中的分散性和能級結(jié)構(gòu),CMSs (O-CMSs, Al-CMSs和A2-CMSs)的電化學循環(huán)伏安(CV)分析證實其與P3HT能級匹配,可作為電池受體材料,LUMO能級順序為：A2-CMSsAl-CMSsO-CMSs。LUMO能級的提高,有利于提高電池開路電壓(Voc),最終改善電池的光伏性能。 3.修飾后的CMSs (O-CMSs、Al-CMSs、A2-CMSs)與P3HT共混溶液體積比為1:1、CMSs懸浮濃度和P3HT的濃度都為30mg/mL、轉(zhuǎn)速為2500rpm時,旋涂制備的三種P3HT:CMSs (P3HT:O-CMSs、P3HT:Al-CMSs、 P3HT:A2-CMSs)復合膜表面平整、缺陷較少,在可見光區(qū)光譜吸收與太陽光譜匹配性強,熒光猝滅現(xiàn)象明顯,激子分離率高；對三種異質(zhì)結(jié)復合膜的退火處理,均提高了P3HT的有序性和復合膜的結(jié)晶性,最終提高電池的光伏性能?；谕嘶鹛幚淼娜N復合膜電池性能順序為：P3HT:A2-CMSs P3HT:Al-CMSs P3HT:O-CMSs。 A2-CMSs可以作為一種優(yōu)選的、與P3HT能級匹配聚合物電池受體材料。 【關(guān)鍵詞】：碳微球 聚-3己基噻吩 復合膜 退火 聚合物太陽能電池
【學位授予單位】：太原理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2013
【分類號】：TB383.2
【目錄】：

• 摘要3-6
• ABSTRACT6-12
• 第一章 文獻綜述12-32
• 1.1 太陽能電池的發(fā)展歷程12-15
• 1.2 聚合物太陽能電池的工作原理15-17
• 1.3 聚合物太陽能電池的活性層材料17-24
• 1.3.1 給體材料18-21
• 1.3.2 受體材料21-24
• 1.4 碳材料在聚合物太陽能電池中的應(yīng)用24-26
• 1.4.1 C_(60)及其衍生物在聚合物太陽能電池中的應(yīng)用24-25
• 1.4.2 石墨烯在聚合物太陽能電池中的應(yīng)用25
• 1.4.3 碳納米管在聚合物太陽能電池中的應(yīng)用25-26
• 1.5 碳微球26-29
• 1.5.1 碳微球的修飾27
• 1.5.2 碳微球的應(yīng)用27-29
• 1.6 研究目的及內(nèi)容29-32
• 1.6.1 研究目的29
• 1.6.2 研究內(nèi)容29-32
• 第二章 實驗部分32-42
• 2.1 P3HT：O-CMSs復合膜的制備及光伏性能32-34
• 2.1.1 實驗原料32-33
• 2.1.2 計算軟件和實驗儀器33
• 2.1.3 實驗步驟33-34
• 2.2 P3HT：A1-CMSs復合膜的制備及光伏性能34-36
• 2.2.1 實驗原料34-35
• 2.2.2 實驗儀器35
• 2.2.3 實驗步驟35-36
• 2.3 P3HT：A2-CMSs復合膜的制備及光伏性能36-37
• 2.3.1 實驗原料36
• 2.3.2 實驗儀器36-37
• 2.3.3 實驗步驟37
• 2.4 分析方法及表征37-42
• 2.4.1 場發(fā)射掃描電子顯微分析37
• 2.4.2 原子力顯微分析37-38
• 2.4.3 熱重分析38
• 2.4.4 傅里葉紅外光譜分析38
• 2.4.5 X射線衍射分析38-39
• 2.4.6 紫外可見吸收光譜分析39
• 2.4.7 光致發(fā)光分析39
• 2.4.8 電化學循環(huán)伏安分析39-40
• 2.4.9 電池的伏安特性分析40-42
• 第三章 P3HT：O-CMSS復合膜的制備及光伏性能42-58
• 3.1 理論計算CMSs表面性質(zhì)、能級結(jié)構(gòu)和光電性能的關(guān)系42-45
• 3.2 O-CMSs受體可行性分析45-46
• 3.3 P3HT：O-CMSs復合膜的制備46-53
• 3.3.1 共混體積比對P3HT：O-CMSs復合膜的影響46-48
• 3.3.2 旋涂轉(zhuǎn)速對P3HT：O-CMSs復合膜的影響48-50
• 3.3.3 濃度對P3HT：O-CMSs復合膜的影響50-51
• 3.3.4 優(yōu)化條件下P3HT：O-CMSs復合膜結(jié)構(gòu)和光學性能分析51-53
• 3.4 退火對P3HT：O-CMSs復合膜的影響53-55
• 3.5 基于P3HT：O-CMSs的聚合物太陽能電池的光伏性能55-56
• 3.6 小結(jié)56-58
• 第四章 P3HT：A1-CMSS復合膜的制備及光伏性能58-72
• 4.1 A1-CMSs的制備58-65
• 4.1.1 DCC用量的影響58-59
• 4.1.2 反應(yīng)時間的影響59-61
• 4.1.3 反應(yīng)溫度的影響61-62
• 4.1.4 表面官能團分析62-63
• 4.1.5 A1-CMSs受體可行性分析63-65
• 4.2 P3HT：A1-CMSs復合膜的制備65-69
• 4.2.1 共混體積比對P3HT：A1-CMSs復合膜的影響65-68
• 4.2.2 退火對P3HT：A1-CMSs復合膜的影響68-69
• 4.3 基于P3HT：A1-CMSs聚合物太陽能電池的光伏性能69-70
• 4.4 小結(jié)70-72
• 第五章 P3HT：A2-CMSs復合膜的制備及光伏性能72-86
• 5.1 A2-CMSs的制備72-78
• 5.1.1 DCC用量的影響72-73
• 5.1.2 反應(yīng)時間的影響73-75
• 5.1.3 反應(yīng)溫度的影響75-76
• 5.1.4 表面官能團分析76
• 5.1.5 A2-CMSs受體可行性分析76-78
• 5.2 P3HT：A2-CMSs復合膜的制備78-83
• 5.2.1 共混體積比對P3HT：A2-CMSs復合膜的影響78-82
• 5.2.2 退火對P3HT：A2-CMSs復合膜的影響82-83
• 5.3 基于P3HT：A2-CMSs聚合物太陽能電池的光伏性能83-84
• 5.4 小結(jié)84-86
• 第六章 結(jié)論與展望86-88
• 6.1 結(jié)論86-87
• 6.2 展望87-88
• 參考文獻88-97
• 致謝97-98
• 碩士期間發(fā)表的論文及其研究成果98-99

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