新型富勒烯受體光伏材料的合成及光伏性能研究.pdf

1、聚合物太陽(yáng)能電池(Polymer Solar Cells，PSCs)由于原材料來(lái)源廣泛、成本低、重量輕、柔性可彎折、易于大面積制備等突出的優(yōu)點(diǎn)近年來(lái)受到廣泛的關(guān)注。對(duì)于常用的體相異質(zhì)結(jié)聚合物太陽(yáng)能電池而言，光活性層材料一般由共軛聚合物作為給體光伏材料和富勒烯衍生物作為受體光伏材料物理共混而成。富勒烯因其接受電子能力強(qiáng)，電子遷移率高，與共軛聚合物共混產(chǎn)生超快光誘導(dǎo)電荷轉(zhuǎn)移現(xiàn)象等獨(dú)特性質(zhì)使其成為優(yōu)良的電子受體光伏材料。但本論文集中于設(shè)計(jì)與合

2、成的新型富勒烯受體光伏材料并將其應(yīng)用于聚合物太陽(yáng)能電池，開(kāi)展了以下兩個(gè)方面的工作:
　　(1)通過(guò)簡(jiǎn)單的酯化反應(yīng)，首次將染料分子3-乙基繞丹寧連接到[6，6]-苯基-C61-丁酸甲酯(PCBM)上，合成了具有增強(qiáng)的光吸收性能的新型富勒烯受體光伏材料PCBRh。紫外-可見(jiàn)吸收光譜表征表明所合成的PCBRh在300-600 nm比起PCBM具有更強(qiáng)的光吸收，這歸因于3-乙基繞丹寧高的吸光系數(shù)。電化學(xué)測(cè)試表明PCBRh的LUMO能級(jí)比P

3、CBM高0.10 eV，這是由于繞丹寧基團(tuán)的給電子性質(zhì)造成的。將PCBRh作為受體光伏材料與聚己基噻吩(P3HT)共混構(gòu)建出體相異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池，在優(yōu)化的制備工藝(P3HT/PCBRh=1∶1(w/w)，135℃熱處理10 min)下，電池器件的能量轉(zhuǎn)換效率為1.46％。AFM表征表明退火處理對(duì)光活性層的形貌有著非常顯著的影響:未退火時(shí)P3HT與PCBRh中存在很多分立的球形聚集，而退火后P3HT則聚集成長(zhǎng)度約為20 nm的長(zhǎng)條，有利于

4、載流子的遷移，使效率比未退火時(shí)明顯增加。
　　(2)以提高受體光伏材料LUMO能級(jí)為出發(fā)點(diǎn)，將富電子基團(tuán)雙（5-甲基噻吩）酮通過(guò)重氮化反應(yīng)直接加成到富勒烯C60上，分別得到單加成衍生物DMTCMA和雙加成衍生物DMTCBA。紫外-可見(jiàn)光譜表征，電化學(xué)測(cè)試結(jié)果表明DMTCMA和DMTCBA的LUMO能級(jí)比PCBM分別分別提高了0.06 eV、0.11eV。將DMTCMA和DMTCBA分別作為受體光伏材料與P3HT共混組裝成的體相異質(zhì)

5、結(jié)聚合物太陽(yáng)能電池器件的開(kāi)路電壓均大大提高，其中基于DMTCBA的器件開(kāi)路電壓達(dá)到0.76 V，而同等條件下參比P3HT∶PCBM電池開(kāi)路電壓為0.61V。基于DMTCMA與DMTCBA受體光伏材料的電池器件效率分別為1.45％和0.82％，均低于基于PCBM的參比電池的效率。AFM分析結(jié)果表明，基于DMTCBA受體光伏材料的電池器件性能偏低的主要原因是光活性層薄膜過(guò)大的相分離不利于激子的擴(kuò)散與分離，這可能是由于雙加成DMTCBA富勒烯