吡咯烷基富勒烯衍生物：制备、表征及光伏性能研究

【摘要】：富勒烯C60、C70具有还原电位低,重组能低等优点,因此理论上是理想的电子受体材料。但由于其溶解性差、易聚集,实际应用中一般以富勒烯衍生物例如PCBM、ICBA等作为受体材料。其中,PCBM是目前应用最为广泛的聚合物太阳能电池的受体材料,基于PC71BM的聚合物电池的效率最高可达11.3%。近年来,多种新型富勒烯衍生物被合成出来并报道,它们大多具有合成路线简单,性能优良等特点,有望取代PCBM成为新一代的聚合物太阳能电池受体材料。吡咯烷基富勒烯是一类典型的富勒烯衍生物,其合成相对简单,LUMO能级较高,理论上是一类较好的电子受体材料。但是到目前为止,关于性能优良的吡咯烷基富勒烯电子受体材料的报道相对较少。本文通过1,3-偶极环加成的方法合成了一系列吡咯烷基富勒烯衍生物(FPx),并用质谱(MALDI-TOF mass),核磁氢谱(1H NMR),吸收光谱(UV-vis absorption spectrum),循环伏安(Cyclic voltammogram),热重分析(Thermogravimetric analysis),DFT-计算等手段清楚的表征了它们的结构和物理化学性质。结果显示具有不同取代基的吡咯烷基富勒烯具有非常相似的吸收光谱,电化学性质、热稳定性以及LUMO能级。为了确定并比较具有不同取代基的吡咯烷基富勒烯的光伏性能,我们以这些衍生物作为受体材料构筑聚合物太阳能电池。实验结果显示,具有不同取代基的吡咯烷基富勒烯的光伏性能明显不同。其中,N-苯基取代衍生物的光伏性能明显优于N-甲基取代衍生物,以其作为受体材料构筑的电池显示了相对较高的光电转换效率,最高可达3.19%,比较接近基于PC61BM的电池效率3.31%。我们进一步用原子力显微镜(Atomic force microscopy),透射电镜(Transmission electron microscopy)以及X-射线衍射(X-ray diffraction)表征了光活性层的形貌,并用空间电荷限制电流(Space charge limited current)器件的方法表征了具有不同取代基的衍生物的电子迁移率。实验结果显示:与N-甲基取代衍生物相比,N-苯基取代衍生物显示较高的电子迁移率以及较好的与聚合物的混合性,因此可以很好的解释后者良好的光伏性能。我们由此得出结论:适当的选择取代基的类型可以有效的改善富勒烯衍生物的光伏性能。此外,本论文工作还合成了具有较高LUMO能级的二加成吡咯烷基富勒烯衍生物和吡咯烷基C70衍生物。并尝试以它们作为电子受体材料构筑聚合物太阳能电池。其中,基于二加成衍生物的电池的Voc高达0.82～0.85 V,明显高于基于PC61BM的电池的Voc(0.65 V)。但是由于二加成衍生物包含多个异构体,电池的Jsc较低,因此光电转换效率较低(2%)。由此,我们或可预期基于异构体纯的二加成吡咯烷基富勒烯的电池不但具有较高的Voc,且具有较高的Jsc,FF以及PCE。 【关键词】：聚合物太阳能电池 受体材料 富勒烯吡咯烷衍生物 取代基
【学位授予单位】：苏州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 中文摘要4-6
• Abstract6-11
• 第一章 绪论11-35
• 1.1 引言11-12
• 1.2 有机太阳能电池的分类12-13
• 1.3 有机太阳能电池的光-电转换机理13-17
• 1.3.1 光吸收和激子的产生13-14
• 1.3.2 激子的扩散和解离14
• 1.3.3 电荷转移复合物的分离14-15
• 1.3.4 电荷载流子的传输15-16
• 1.3.5 电荷载流子的复合16
• 1.3.6 电荷载流子的输出16-17
• 1.4 有机太阳能电池的主要性能参数17-19
• 1.4.1 开路电压18
• 1.4.2 短路电流18
• 1.4.3 填充因子18-19
• 1.5 体异质结有机太阳能电池的光活性层形貌影响因素19-21
• 1.5.1 溶剂19
• 1.5.2 混合比例的影响19
• 1.5.3 退火的影响19-20
• 1.5.4 添加剂的作用20
• 1.5.5 化学结构的影响20-21
• 1.6 富勒烯衍生物受体光伏材料21-26
• 1.6.1 PCBM类衍生物21-22
• 1.6.2 双加成富勒烯衍生物22-23
• 1.6.3 内嵌富勒烯衍生物23-24
• 1.6.4 其它富勒烯衍生物24-26
• 1.7 选题依据及研究内容26-27
• 参考文献27-35
• 第二章 实验试剂和仪器及材料表征方法35-40
• 2.1 实验试剂和仪器35-36
• 2.1.1 实验试剂35-36
• 2.1.2 实验仪器36
• 2.2 材料结构物性表征36-38
• 2.2.1 高效液相色谱（HPLC）分析36
• 2.2.2 质谱（MS）测试36-37
• 2.2.3 核磁共振H谱（1H NMR）测试37
• 2.2.4 紫外光谱（UV-Vis）测试37
• 2.2.5 热重分析（TGA）测试37
• 2.2.6 差示扫描量热（DSC）测试37-38
• 2.3 电化学测试38
• 2.3.1 三电极测试装置38
• 2.3.2 循环伏安（CV）测试38
• 2.4 光活性层形貌表征38-39
• 2.4.1 原子力显微镜（AFM）表征38
• 2.4.2 透射电子显微镜（TEM）表征38-39
• 2.4.3 X射线衍射(XRD) 表征39
• 2.5 光伏测试及载流子迁移率测试39-40
• 2.5.1 电流-电压（J-V）特性曲线测试39
• 2.5.2 SCLC测试39-40
• 第三章 一系列富勒烯吡咯烷衍生物的制备40-67
• 3.1 引言40
• 3.2 单加成富勒烯吡咯烷衍生物FPx (x=1～8)的制备40-42
• 3.3 FP1～FP8 的表征42-58
• 3.3.1 高效液相色谱（HPLC）42-43
• 3.3.2 质谱（MALDI-TOF-mass）43-47
• 3.3.3 核磁共振氢谱（~1H NMR）及碳谱（~(13)C NMR）47-54
• 3.3.4 紫外-可见（UV-vis）吸收光谱54-55
• 3.3.5 热重分析（TGA）55-56
• 3.3.6 电化学测试56-58
• 3.4 双加成富勒烯吡咯烷衍生物及C70的单加成富勒烯吡咯烷衍生物（FP11～FP13）的合成及表征58-62
• 3.4.1 FP11～FP13 的合成58-59
• 3.4.2 FP11～FP13 的表征59-62
• 3.5 本章小结62-63
• 参考文献63-67
• 第四章 有机太阳能电池器件的制作及光伏性能表征67-81
• 4.1 引言67
• 4.2 聚合物太阳能电池器件的制备67-68
• 4.3 FP1～FP8 的光伏性能表征68-73
• 4.3.1 不同D/A质量比对器件性能的影响68-69
• 4.3.2 溶剂退火（Solvent annealing, abbreviated as SA）对器件性能的影响69-70
• 4.3.3 热退火（Thermal annealing, abbreviated as TA）对器件性能的影响70-72
• 4.3.4 吡咯烷基取代基对器件性能的影响72-73
• 4.4 光活性层的形貌及性质表征73-77
• 4.4.1 AFM表征73-75
• 4.4.2 TEM表征75
• 4.4.3 XRD表征75-77
• 4.4.4 电子迁移率测试77
• 4.5 FP11～FP13 的光伏性能表征77-78
• 4.6 本章小结78-79
• 参考文献79-81
• 第五章 全文总结与展望81-83
• 硕士期间的学术成果83-84
• 致谢84-85

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