碳化聚合物点的合成及其在聚合物太阳能电池中应用的研究

发布时间：2020-11-19 06:04

　　 碳化聚合物点作为一类新兴纳米材料,具有成本低、毒性低、光学性能优异、合成方法简单、原料来源广泛、性质稳定、环境友好等优异特性。因此它们可以应用于生物医学、传感器件、纳米复合材料、光电器件等诸多领域。本论文旨在通过合成具有不同表面基团的碳化聚合物点,探究其功函修饰能力及其作为界面修饰层在聚合物太阳能电池中的应用。具体来讲,本论文工作可以归纳为如下两个方面。第一部分的工作内容:合成表面带有不同基团的两种碳化聚合物点,并将它们分别用作两极界面修饰层同时应用于聚合物太阳能电池中。碳化聚合物点具有丰富且易修饰的表面基团,通过简单地调控反应原料柠檬酸和乙二胺的比例使碳化聚合物点表面分别修饰上较多的具有推电子能力的氨基和较多的具有吸电子能力的羧基,它们就分别具有了降低基底功函和提升基底功函的能力,因此可以在聚合物太阳能电池中同时作为阴极界面修饰层和阳极界面修饰层。在这部分工作中,碳化聚合物点的功函修饰能力被系统地进行了研究表征,而且这种单一体系材料同时用作两极界面修饰层的特点可以简化材料设计及制备工艺、降低成本。此外,碳化聚合物点自身的绿色、廉价、稳定等优异特性,使其成为更多光电领域实际应用生产中的潜在界面层材料。第二部分的工作内容:合成具有含氟基团的碳化聚合物点,将其用作阳极界面修饰层应用于水相绿色太阳能电池中。相较于阴极界面修饰层,阳极界面层的研究较少,而且目前常用的阳极界面层材料大多存在一些缺陷,如PEDOT:PSS虽然其导电性、水/醇溶性较好,但因其自身的吸湿性和酸性会导致器件稳定性大幅度降低。因此开发含氟的碳化聚合物点作为阳极界面修饰层十分必要。电负性较高的氟基团具有较强的吸电子能力,因此其提升基底功函的能力更强,可以作为有效的界面材料。在这部分工作中,将其应用在以水相聚合物聚苯乙炔(PPV)和水相量子点碲化镉(CdTe)为活性层的电池中,实现了真正绿色环保器件的构筑,避免了实际生产过程中使用有机溶剂可能带来的污染危害。综上所述,本文通过简单地调控反应原料合成了含有不同表面基团的碳化聚合物点,对它们的功函修饰能力和相应稳定性进行了研究并将其应用在太阳能电池中作为两极界面修饰层,提升了现有电池体系的光电转换效率,同时也开拓了碳化聚合物点新的应用领域。
【学位单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TM914.4
【部分图文】：

图 1.1 （a）传统碳点的透射电子显微镜（TEM）图像[11]；（b）（c）（d）传统碳点的高分辨透射电子显微镜（HRTEM）图像[11]；（e）还原石墨烯片层的 XRD 图谱[14]；（f）传统碳点的 XRD 图谱[15]；（g）具有聚合物性质的碳点的 XRD 图谱[16]；（h）还原石墨烯片层的拉曼图谱[14]；（i）传统碳点的拉曼图谱[15]；（j）具有聚合物性质的碳点的拉曼图谱[17]。图 1.2 聚合物、碳化聚合物点与传统碳点的结构示意图[18]。

尺寸的荧光点称为碳化聚合物点（也称聚合物碳点）[18,19]。如图1.2 所示，碳化聚合物点本质上是一种介于传统碳点与聚合物之间的过渡结构[18]。图 1.1 （a）传统碳点的透射电子显微镜（TEM）图像[11]；（b）（c）（d）传统碳点的高分辨透射电子显微镜（HRTEM）图像[11]；（e）还原石墨烯片层的 XRD 图谱[14]；（f）传统碳点的 XRD 图谱[15]；（g）具有聚合物性质的碳点的 XRD 图谱[16]；（h）还原石墨烯片层的拉曼图谱[14]；（i）传统碳点的拉曼图谱[15]；（j）具有聚合物性质的碳点的拉曼图谱[17]。图 1.2 聚合物、碳化聚合物点与传统碳点的结构示意图[18]。

第一章 绪论制备碳化聚合物点的原料来源广泛，多数具有丰富反应基团（如氨基、羟基、羧基等）的有机小分子都可以用作原料。如图 1.3 所示，葡萄糖、甘氨酸、丙酮等小分子均可被选作合成碳化聚合物点的原料[20-23]。在水热合成方法中，碳化聚合物点的形成与聚合过程很相似。在反应的初始阶段，反应物的碰撞随温度的升高而变得愈加剧烈，反应物基团之间开始发生脱水和缩合，从而形成较长的分子链。随着反应的继续进行，在高温高压条件下，一些潜在反应的活化能降低，因此更多的反应得以进行，从而有利于聚合物簇的进一步增长和局部的碳化，从而最终形成碳化聚合物点。
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本文编号：2889802