聚(3-已基噻吩)及其嵌段共聚物的自組裝和光電應用.pdf

1、共軛高分子由于其剛性分子鏈結(jié)構(gòu)和較強的分子間相互作用，因而具有較好的結(jié)晶性和優(yōu)異的光電性能，被廣泛應用于光電領域中。本文以聚(3-己基噻吩)(P3HT)及含P3HT的嵌段共聚物為研究對象，研究共軛高分子與同樣具有共軛結(jié)構(gòu)的碳納米管(CNTs)之間的相互作用、共軛高分子有序自組裝的性質(zhì)和作為有機給體材料在水相制備太陽能電池的應用。
　　伸直的CNTs對含CNTs的材料和器件性能的提升都具有重要的意義。本論文首先發(fā)現(xiàn)，P3HT可在單壁

2、碳納米管(SWCNTs)表面外延結(jié)晶形成晶須，在合適的條件下能顯著地拉直SWCNTs。改變P3HT溶液結(jié)晶條件，發(fā)現(xiàn)低濃度的SWCNTs和較高的SWCNT/P3HT質(zhì)量比有利于彎曲的SWCNTs被拉直。實驗發(fā)現(xiàn)，在溶液中P3HT分子鏈就可附著在SWCNTs管壁表面，從而對SWCNTs產(chǎn)生拉直作用，而非由外延結(jié)晶形成的P3HT納米纖維晶體驅(qū)動SWCNTs拉直。用X-射線光電子能譜、紫外吸收光譜和光致發(fā)光光譜光譜進一步揭示了復合物的內(nèi)在作用

3、機理，發(fā)現(xiàn)P3HT分子鏈和SWCNTs之間存在強的π-π相互作用，使SWCNTs的持續(xù)長度得到顯著增強。P3HT對SWCNTs的拉直效應較弱，會被SWCNTs之間的纏繞和橋連導致的局部應力抵消，這在高濃度的SWCNTs和低的SWCNT/P3HT質(zhì)量比條件下能觀察到，P3HT也難以拉直彎曲模量較大的MWCNTs。
　　控制共軛聚合物從微觀尺度到宏觀尺度的形貌是一個很關(guān)鍵的技術(shù)挑戰(zhàn)，聚合物的聚集態(tài)形貌影響著相應器件的性能，進而影響共軛

4、聚合物在電子設備上的應用推廣。本論文考慮到P3HT分子鏈較強的結(jié)晶性，將P3HT溶液滴涂在基底上，受三相界面處溶劑揮發(fā)影響，結(jié)晶形成纖維。通過調(diào)控外界的結(jié)晶條件，促使P3HT分子鏈有序堆積形成纖維，并通過傾斜基底提供外界應力，誘導P3HT纖維有序取向，形成高度取向的纖維陣列薄膜。通過掠入射小角X-射線散射和偏振紫外可見光吸收光譜，發(fā)現(xiàn)P3HT分子鏈在纖維陣列中的排列結(jié)構(gòu)主要是“側(cè)立”結(jié)構(gòu)，主鏈方向與納米纖維垂直。取向的納米纖維陣列，作為

5、導電網(wǎng)絡應用于有機場效應晶體管，能顯著地提升載流子遷移率。聚合物分子鏈的有序堆積，纖維緊密排列和高度取向，都有利于提高薄膜的載流子遷移率。本工作制備取向P3HT纖維薄膜的方法簡單高效，對共軛聚合物在電子器件中的應用有極其重要的意義。
　　含P3HT的雙親性嵌段共聚物能在選擇性溶劑水中可進行自組裝，形成有序的納米膠束結(jié)構(gòu)。同時由于P3HT是半導體高分子，因此含P3HT的雙親性嵌段共聚物可望應用于水相制備太陽能電池。本論文合成了聚(3

6、-己基噻吩)-b-聚丙烯酸(P3HT-b-PAA)雙親性嵌段共聚物，并研究其在水溶液中自組裝成膠柬的形貌，發(fā)現(xiàn)通過加入P3HT均聚物，膠束由球狀或棒狀轉(zhuǎn)化為纖維狀。將膠束與水溶性的CdTe納米晶復合，應用到太陽能電池中，發(fā)現(xiàn)P3HT-b-PAA雙親性嵌段共聚物的引入能顯著改善復合物的光電性能與薄膜的形貌。本論文通過嵌段共聚物膠束和水溶性納米晶水相制備雜化太陽能電池，最高效率能達到4.8％，為潔凈和低成本制備高效太陽能電池提供了一種思路。