基于C60衍生物有機(jī)光伏材料的合成及性能研究.pdf

1、近年來，隨著經(jīng)濟(jì)和科技的迅速發(fā)展，人們的活動范圍越來越廣、活動形式越來越豐富多樣，所需能耗也越來越多，隨之產(chǎn)生的各類環(huán)境、能源問題也日益凸顯。太陽能因其儲量大、分布范圍廣、清潔無污染、可再生等優(yōu)點(diǎn)成為一種最有前途的新能源，具備替代傳統(tǒng)能源的巨大潛力而備受世界關(guān)注。其中，硅基無機(jī)太陽能電池在日常生活中可以商業(yè)化、大面積應(yīng)用，但是因其制作成本高、質(zhì)量重、硅資源短缺、對環(huán)境污染嚴(yán)重以及生產(chǎn)和純化硅材料時所需能耗高等一些致命的缺點(diǎn)而限制了其進(jìn)一

2、步的研究和應(yīng)用。近幾年，有機(jī)/聚合物薄膜太陽能電池因其制作成本低、質(zhì)量輕、制備工藝簡單和可以制作成柔性器件等優(yōu)點(diǎn)而備受科學(xué)家的關(guān)注，其中，本體異質(zhì)結(jié)型(BHJ)聚合物太陽能電池(PSCs)由于其可以增加D/A界面處激子的有效分離和電荷傳輸?shù)葍?yōu)勢而受到廣泛研究。從活性層材料角度而言，給體材料研究很多，并且也取得了一定的成果，而受體材料研究的并不多。實(shí)際上，電子受體材料同樣在高性能的PSCs中起著很重要的作用。因此，本論文致力于合成在可見光

3、區(qū)具有較寬和較強(qiáng)吸收、與P3HT能級匹配性較好的富勒烯衍生物和非富勒烯小分子受體材料。具體研究內(nèi)容可以分為如下三部分:
　　第一部分，合成溶解性較好的新型富勒烯衍生物Cz-C60和Cz-2C60，因?yàn)檫沁蛴休^強(qiáng)的給電子能力，所以Cz-C60和Cz-2C60的LUMO能級較PC60BM的LUMO能級分別提高0.05 eV和0.04 eV，且因?yàn)镃60是較好的電子受體材料，所以目標(biāo)化合物Cz-2C60中嫁接上兩個C60有助于增強(qiáng)受體材

4、料的紫外-可見吸收、提高LUMO能級和電子傳輸能力。對目標(biāo)化合物Cz-C60和Cz-2C60的紫外-可見吸收、循環(huán)伏安、熱穩(wěn)定性、成膜形貌和光伏性能等幾方面進(jìn)行了研究，當(dāng)P3HT為給體材料，PC60BM、Cz-C60和Cz-2C60分別為受體材料，且質(zhì)量比例都為1∶0.75時，活性層為P3HT/PC60BM的光電轉(zhuǎn)換效率PCE為3.71％，活性層為P3HT/Cz-C60的PCE為3.59％，活性層為P3HT/Cz-2C60的PCE為3.

5、88％。
　　第二部分，繼續(xù)圍繞富勒烯衍生物受體材料存在的溶解性差、在可見光區(qū)的吸收較弱、與給體材料的能級匹配性差等問題開展研究。將具有給電子能力的芴酮與在可見光區(qū)具有強(qiáng)吸收能力的帶-C8H17鏈的噻吩嫁接在富勒烯C60上，成功合成目標(biāo)化合物FST-C60、 bis-FST-C60（雙加成富勒烯衍生物）、FTT-C60、 FFT-C60。FST-C60與PC60BM的吸收光譜相對比改變不明顯，但是bis-FST-C60的吸收峰位置

6、與傳統(tǒng)的受體材料PC60BM的峰位置不同，其沒有明顯的尖銳吸收峰，F(xiàn)TT-C60和FFT-C60分別在335 nm和334nm處有一個較強(qiáng)的特征吸收峰，且這兩個化合物分別在360～465nm和360～500nm范圍內(nèi)沒有尖銳的吸收峰，但是吸收強(qiáng)度都較PC60BM強(qiáng)。FST-C60、bis-FST-C60、FTT-C60和FFT-C60的LUMO能級(-3.89 eV、-3.68 eV、-3.77 eV和-3.72 eV)較PC60BM的

7、LUMO能級(-3.93 eV)分別提高了0.04 eV、0.25 eV、0.16 eV和0.21 eV。通過熱重分析可知，F(xiàn)ST-C60、bis-FST-C60和FTT-C60比PC60BM的熱穩(wěn)定性差，但是FFT-C60的穩(wěn)定性較PC60BM的熱穩(wěn)定性好。
　　第三部分，非富勒烯小分子受體材料，因?yàn)槠浜铣珊唵巍⒛芗壠ヅ湫暂^好、成本低、在普通溶劑中的溶解性較好、在可見光區(qū)的吸收較強(qiáng)等特點(diǎn)而備受關(guān)注。本章對偶然得到的STBF、TT

8、BF和FTBF尋找新的合成方法，最后高產(chǎn)率得到這三個目標(biāo)化合物。在二氯甲烷溶液中STBF、TTBF和FTBF的最大吸收峰分別位于465 nm、381 nm和408 nm，LUMO能級分別為-3.27 eV、-2.86 eV和-2.61 eV，可以明顯看出STBF、TTBF和FTBF的LUMO能級相對于PC60BM的LUMO能級-3.91 eV（第二章內(nèi)容測出的數(shù)據(jù)）分別提高0.64 eV、1.05 eV和1.3 eV，且TTBF具有較好