聚3-己基噻吩-碳微球復(fù)合膜的制備及光伏性能.pdf

1、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(jī)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。基于共軛聚合物電子給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(jìn)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，

2、碳微球(CMSs)由于其制作工藝簡(jiǎn)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(jī)溶劑中不溶、難分散等特點(diǎn)，導(dǎo)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(jìn)一步降低成本、提高效率。
　　 本文首先借助于雙層CMSs

3、表面性質(zhì)的理論研究，考察CMSs能級(jí)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(fù)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(duì)CMSs進(jìn)行氧化制備氧化CMSs(O-CMSs)，進(jìn)而選用1，6-己二胺(HDA)和十二胺(DDA)對(duì)O-CMSs胺化改性，制備HDA胺化CMSs(A1-CMSs)和DDA胺化CMSs(A2-CMSs)，通過考察N，N-二甲基甲酰胺(DCC)的用量、

4、反應(yīng)時(shí)間和反應(yīng)溫度對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物的影響，優(yōu)化工藝參數(shù)，進(jìn)一步提高CMSs的分散性和能級(jí)匹配性;并制備P3HT∶O-CMSs、P3HT∶A1-CMSs和P3HT∶A2-CMSs的復(fù)合薄膜，考察其光學(xué)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(duì)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(jí)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.

5、以雙層CMSs(結(jié)構(gòu)為C60@C240)為例，利用密度泛函理論(DFT)計(jì)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(jī)官能團(tuán)，可以改善體系的表面化學(xué)性質(zhì)，不同的成鍵性質(zhì)決定了體系中能級(jí)、帶隙和相應(yīng)的光學(xué)性質(zhì)。
　　 2.對(duì)于0.3 g O-CMSs，當(dāng)DCC為0.3 g、反應(yīng)時(shí)間36h、反應(yīng)溫度110℃制備得到形貌規(guī)整A(1)-CMSs;對(duì)于0.2 g O-CMSs，當(dāng)D

6、CC為0.4 g、反應(yīng)時(shí)間24 h、反應(yīng)溫度70℃制備得到形貌規(guī)整A2-CMSs;對(duì)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(jí)結(jié)構(gòu)，CMSs（O-CMSs，A1-CMSs和A2-CMSs）的電化學(xué)循環(huán)伏安(CV)分析證實(shí)其與P3HT能級(jí)匹配，可作為電池受體材料，LUMO能級(jí)順序?yàn)?A2-CMSs＞A(1)-CMSs＞O-CMSs。LUMO能級(jí)的提高，有利于提高電池開路電壓(Voc)，最終改善電池

7、的光伏性能。
　　 3.修飾后的CMSs(O-CMSs、A1-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30 mg/mL、轉(zhuǎn)速為2500rpm時(shí)，旋涂制備的三種P3HT∶CMSs(P3HT∶O-CMSs、P3HT∶A1-CMSs、P3HT∶A2-CMSs)復(fù)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(qiáng)，熒光猝滅現(xiàn)象明顯，激子分離率高;對(duì)三種異質(zhì)結(jié)復(fù)合膜的退火處