富勒烯双加成衍生物受体材料的设计、合成、分离及其光伏性能的研究

发布时间：2017-09-05 07:33

  本文关键词：富勒烯双加成衍生物受体材料的设计、合成、分离及其光伏性能的研究

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【摘要】：有机聚合物太阳电池因其拥有低成本、制备简单、质量轻和可弯曲等特性而成为替代当前无机半导体电池的理想选择。有机聚合物太阳电池通常呈三明治结构,即给体和受体材料作为活性层位于阳极和阴极之间。近年来,通过对于活性层的改进,增加缓冲层,对器件结构和制备方法进行优化等方法,太阳电池的能量转换效率已经有了大幅的提高。富勒烯及其衍生物拥有高电子亲和性和高电子迁移率的特性,已经被广泛采用作为活性层受体材料应用于有机聚合物太阳电池中。大量的研究致力于对富勒烯结构进行改进优化,以期获得更高的器件能量转换效率,但是相对于聚合物给体材料,富勒烯衍生物受体材料的研究进展相对缓慢,新合成的富勒烯衍生物受体材料种类较少,而大多数新富勒烯衍生物受体材料并未取得比[6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯([6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester,PCBM)更优异的光伏性能。李永舫课题组在2010年将茚-C60双加成物(Indene-C60 bisadduct,ICBA)用作聚合物电池中的电子受体,实现了较大的突破,相较于聚(3-己基噻吩)(Poly(3-hexylthiophene,P3HT):PCBM体系,P3HT:ICBA体系实现了高达40%以上的能量转换效率提升。研究表明:相较于富勒烯单加成衍生物PCBM,双加成衍生物ICBA的最低未占轨道(the lowest unoccupied molecular orbital,LUMO)能级上移了0.17 eV,基于ICBA的光伏器件具有更高的开路电压(Voc)及能量转换效率(PCE)。由此,拥有更高LUMO能级的富勒烯双加成衍生物成为了富勒烯受体材料研究的焦点。因此,进一步合成和表征新的富勒烯双加成衍生物受体,研究其结构变化对电池效率的影响是十分有必要的。此外,ICBA虽然拥有高的LUMO能级,并且在以P3HT为给体材料的电池中表现出优异的光电性能,但是由于其双加成的特性导致其拥有多种同分异构体,而在使用过程中这些同分异构体没有被进一步地分离,导致各批次样品中同分异构体的种类和比例不尽相同。然而,到目前为止,这些同分异构体的结构和性质及其在混合物中的比例对光伏性能的影响仍未能得到全面系统的研究。基于此,本论文以ICBA混合样品为研究对象,研究富勒烯双加成衍生物中同分异构体对有机聚合物太阳电池的光伏性能的影响;设计合成了一系列二氢苯并呋喃-C60双加成物,并将其应用于有机聚合物太阳电池中。本论文的具体内容包括以下两个方面:一、通过对ICBA同分异构体的分离以及对其结构、物理化学性质和光伏性能的研究,确认了通常实验室合成的ICBA包含有12种主要同分异构体,其中有一种异构体为trans-1构型,三种为trans-2构型,三种为trans-3构型,三种为trans-4构型,两种为e构型,仅有极少量异构体为cis构型;各个异构体的光伏性能存在极大的差别,其中trans-3(a)和e2构型的异构体具有优于ICBA混合物的光伏性能;并且各个异构体在普通有机溶剂中的溶解度也有很大差异,溶解度较差的异构体与P3HT并未实现均匀共混,出现聚集现象,其光伏性能表现也较差。本课题研究了ICBA各异构体的结构和物理化学性质及这些性质对其光伏性能的影响。二、通过简单易行的方法合成了一系列二氢苯并呋喃-C60双加成物,命名为BFCBA(没有铡链烷基)和Cn-BFCBA(n代表侧链烷基碳原子数目,n=1-5)。这些富勒烯双加成衍生物具有类似的吸收光谱和电化学性质,但迥异的光伏性能。相比于没有侧链烷基的BFCBA,引入烷基的Cn-BFCBA的光伏性能得到了大幅提高,其中光伏性能最好是C4-BFCBA,以该富勒烯衍生物为受体材料的太阳电池的能量转换效率已经达到了3.40%,接近于PCBM的水平。但是过长的碳链会导致位阻增大,致使其光伏性能的表现变差,因此C5-BFCBA的光伏性能不如C4-BFCBA。本课题展示了二氢苯并呋喃-C60双加成物作为受体材料在有机聚合物太阳电池中的应用潜力并揭示了侧链烷基对于富勒烯双加成衍生物光伏性能的影响。
【关键词】：富勒烯双加成衍生物 同分异构体 有机聚合物太阳电池
【学位授予单位】：苏州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O613.71;TM914.4
【目录】：

• 中文摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 绪论11-26
• 1.1 引言11
• 1.2 聚合物太阳电池的结构11-13
• 1.3 聚合物太阳电池器件结果表征13-14
• 1.4 富勒烯衍生物电子受体材料的研究及应用14-24
• 1.4.1 富勒烯单加成衍生物15-17
• 1.4.2 富勒烯多加成衍生物17-19
• 1.4.3 富勒烯双加成衍生物19-23
• 1.4.4 富勒烯双加成衍生物同分异构体的分离及光伏性能的研究23-24
• 1.5 论文的研究内容与意义24-26
• 第二章 ICBA同分异构体的分离与结构确定及光伏性能的研究26-47
• 2.1 引言26-28
• 2.2 实验部分28-32
• 2.2.1 实验试剂28-29
• 2.2.2 实验仪器29-30
• 2.2.3 样品制备30
• 2.2.4 核磁共振波谱表征30
• 2.2.5 电化学表征30-31
• 2.2.6 聚合物太阳电池器件制备及表征31-32
• 2.3 结果与讨论32-46
• 2.3.1 同分异构体的分离32-33
• 2.3.2 同分异构体的结构33-37
• 2.3.3 电化学性质37-38
• 2.3.4 各同分异构体的比例分析38-41
• 2.3.5 光伏性能41-44
• 2.3.6 形貌44-46
• 2.4 本章小结46-47
• 第三章 二氢苯并呋喃-C_(60)双加成物的合成及其光伏性能的研究47-68
• 3.1 引言47-48
• 3.2 实验部分48-51
• 3.2.1 实验试剂48-49
• 3.2.2 实验仪器49
• 3.2.3 TsN=IPh的合成与分离49
• 3.2.4 N-对甲苯磺酰基氮丙啶-C_(60)单/双/三加成物的合成与分离49-50
• 3.2.5 二氢苯并呋喃-C_(60)单成物的合成与分离50
• 3.2.6 二氢苯并呋喃-C_(60)双成物的合成与分离50
• 3.2.7 二氢苯并呋喃-C_(60)三成物的合成与分离50
• 3.2.8 二氢萘并呋喃-C_(60)单成物的合成与分离50-51
• 3.2.9 二氢萘并呋喃-C_(60)双成物的合成与分离51
• 3.2.10 聚合物太阳电池器件制备及表征51
• 3.3 结果与讨论51-66
• 3.3.1 一系列二氢苯（萘）并呋喃-C_(60)单/双/三加成物的合成51-53
• 3.3.2 质谱表征53-54
• 3.3.3 核磁共振波谱表征54-59
• 3.3.4 电化学性质59-60
• 3.3.5 吸收特性60-61
• 3.3.6 光伏性能61-63
• 3.3.7 热稳定性63-64
• 3.3.8 形貌64-65
• 3.3.9 电子迁移率65-66
• 3.4 本章小结66-68
• 第四章 结论与展望68-70
• 4.1 结论68-69
• 4.2 展望69-70
• 参考文献70-79
• 攻读硕士期间公开发表论文79-80
• 学术会议论文79
• 期刊论文79-80
• 致谢80-81

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