聚合物太陽能電池用富勒烯電子受體材料的設(shè)計(jì)及性能研究.pdf

1、目前世界上消耗的能源,80％以上來自化石燃料的燃燒,但是,化石燃料的燃燒會(huì)造成嚴(yán)重的氣候和環(huán)境問題。為了未來能源的安全,迫切需要發(fā)展清潔的、可再生的能源。在各種可再生能源中,太陽能是最有希望的能源之一,它是一種清潔能源,而且取之不盡、用之不竭。
　　 聚合物太陽能電池因其制作工藝簡(jiǎn)單、成本低、重量輕和柔性好等優(yōu)點(diǎn)而備受人們的關(guān)注。近年來,聚合物太陽能電池取得較快的發(fā)展,其中,光伏材料的研究進(jìn)展起著至關(guān)重要的作用,尤其是給體材料的

2、發(fā)展帶動(dòng)了聚合物太陽能電池較快的發(fā)展。目前,人們主要致力于給體材料的優(yōu)化,而對(duì)受體材料的研究卻比較少,以至于目前使用得最普遍的電子受體材料仍然是[6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯(PC60BM)和與其對(duì)應(yīng)的C70衍生物PC70BM。然而,PC60BM和PC70BM存在一些缺點(diǎn),比如,與常見的給體材料相比,它們的LuMO軌道相對(duì)較低;還有,它們?cè)诳梢妳^(qū)的吸收較弱。因此,設(shè)計(jì)和合成出具有高的LUMO軌道和在可見區(qū)具有較強(qiáng)吸收的新型富勒烯衍生

3、物是非常重要的。本論文設(shè)計(jì)并合成了一系列新型富勒烯衍生物,同時(shí)對(duì)這些富勒烯衍生物的光學(xué)性質(zhì)、電化學(xué)性質(zhì)和光伏性能進(jìn)行了研究。
　　 我們根據(jù)文獻(xiàn)合成出來了高質(zhì)量的PC60BM并用于聚合物太陽能電池。聚(3-己基噻吩)(P3HT):PC60BM體系是人們研究得最為廣泛的光伏體系。目前,基于P3HT:PC60BM體系的器件在聚合物太陽能電池中已經(jīng)被當(dāng)作參照電池使用。為了掌握聚合物太陽能電池的制備技術(shù),我們制備了基于P3HT:PC60

4、BM體系的器件,并對(duì)實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行優(yōu)化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,我們制備的基于P3HT:PC60BM體系的電池的性能已經(jīng)達(dá)到文獻(xiàn)報(bào)道的水平。
　　 我們合成了一類LUMO軌道較高的、烷氧基取代的二氫萘基-C60衍生物,2-甲氧基-(5,8)-二氫萘基-(6,7)-[6,6]-C60(MDNC)以及它的二加成產(chǎn)物(Bis-MDNC),并將它們用作聚合物太陽能電池的受體材料。我們同時(shí)還研究了各種取代基(甲氧基、芐氧基、苯甲酰氧基、己氧基和3-乙

5、氧羰基丙氧基)對(duì)烷氧基取代的二氫萘基-C60衍生物的光伏性能和電化學(xué)性質(zhì)的影響。基于P3HT:Bis-MDNC體系的器件的能量轉(zhuǎn)換效率高達(dá)4.58％,開路電壓高達(dá)0.83 V;明顯優(yōu)于基于P3HT:PC60BM體系的器件(能量轉(zhuǎn)換效率為3.25％,開路電壓為0.59V)。這項(xiàng)工作表明,二氫萘基-C60衍生物容易通過取代基進(jìn)行功能化并且可以通過取代基來調(diào)節(jié)光伏性能。
　　 鹵化富勒烯是制備新型富勒烯衍生物的重要的中間體,其中的鹵原

6、子可以被合適的有機(jī)基團(tuán)取代。C60C16是最常見的富勒烯鹵化物之一。從C60Cl6制備的富勒烯衍生物具有加成基團(tuán)都圍繞著富勒烯碳籠上的一個(gè)五元環(huán)的結(jié)構(gòu),而這種結(jié)構(gòu)是通常的環(huán)加成反應(yīng)無法得到的。我們以C60Chl為原料合成了兩個(gè)含有50個(gè)π電子的C60(OCH3)4衍生物:C60(OCH3)4-PCBM(C60(OCH3)4的環(huán)丙烷富勒烯衍生物,其中PCBM為[6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯)和C60(OCH3)4-APCBM(C60(

7、OCH3)4的氮雜環(huán)丙烷富勒烯衍生物)。合成的兩個(gè)C60(OCH3),4衍生物的LUMO軌道都比PC60BM要高,尤其是C60(OCH3)4-PCBM的UIMO軌道比PC60BM高0.3 eV。我們以所合成的C60(OCH3),4衍生物作為電子受體,P3HT作為電子給體,制備了聚合物太陽能電池。雖然兩個(gè)C60(OCH3)4衍生物的結(jié)構(gòu)差別不是很大,但是,它們的光伏性能差別較大。P3HT:C60(OCH3)4-APCBM器件的開路電壓為0

8、.625V,能量轉(zhuǎn)換效率為1.13％。相比之下,P3HT:C60(OCH3)4-PCBM器件的開路電壓為0.715 V,能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)2.22％,該效率差不多是文獻(xiàn)報(bào)道的基于P3HT/五取代富勒烯器件的最高效率的兩倍。
　　 目前,聚合物太陽能電池中使用的富勒烯受體材料大部分是通過[4+2]環(huán)加成或[3+2]環(huán)加成反應(yīng)制備的,還沒有關(guān)于使用[2+2]環(huán)加成產(chǎn)物作受體的報(bào)道。我們通過C60與苯炔的[2+2]環(huán)加成反應(yīng)合成了一個(gè)新的

9、富勒烯衍生物:苯炔-C60二加成產(chǎn)物(BCBA)。為了研究富勒烯的分子結(jié)構(gòu)與光伏性能的關(guān)系,我們制備了基于P3HT:BCBA的太陽能電池。P3HT:BCBA器件的開路電壓為0.691 V,短路電流為5.34 ma/cm2,填充因子為46.0％,能量轉(zhuǎn)換效率為1.70％。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,[2+2]環(huán)加成產(chǎn)物(BCBA)的光伏性能比[4+2]環(huán)加成產(chǎn)物(比如ICBA)或[3+2]環(huán)加成產(chǎn)物(比如bisPCBM)要差很多,這可能是由于BCBA分