聚3-己基噻吩-碳微球復(fù)合膜的制備及光伏性能.pdf

1、由于傳統(tǒng)能源的逐漸枯竭和一次能源燃燒引起的環(huán)境污染，迫切需要開發(fā)新的可再生能源。太陽能作為一種新型清潔可再生能源，無疑是具有開發(fā)前景的。有機光伏電池的出現(xiàn)，提供了一種收集并利用太陽能的技術(shù)，是新型低成本、低碳電力的首選?；诠曹椌酆衔镫娮咏o體和碳材料電子受體的聚合物太陽能電池已經(jīng)引起了廣泛的關(guān)注。富勒烯、碳納米管和石墨烯的碳膜材料最近在太陽能電池方面已經(jīng)取得了突破性進展，但電池的光電轉(zhuǎn)化效率依然很低，成本較高。作為富勒烯類的一種碳材料，

2、碳微球(CMSs)由于其制作工藝簡單、成本低，具有優(yōu)異的物化性能而成為一種潛在的聚合物太陽能電池受體材料。但由于其在水或有機溶劑中不溶、難分散等特點，導(dǎo)致未能充分發(fā)揮其優(yōu)異的性能，很大程度地限制了其應(yīng)用范圍。所以，選擇經(jīng)表面修飾的CMSs為受體材料，常用的共軛聚合物聚-3己基噻吩(P3HT)為給體材料，合成以P3HT∶CMSs為活性層的本體異質(zhì)結(jié)型聚合物太陽能電池，旨在進一步降低成本、提高效率。
　　 本文首先借助于雙層CMSs

3、表面性質(zhì)的理論研究，考察CMSs能級結(jié)構(gòu)和光電性能的關(guān)系。然后以P3HT∶CMSs本體異質(zhì)結(jié)復(fù)合膜的制備為目的，選用CVD法制備的原始CMSs為原料，用混酸（濃硝酸/濃硫酸體積比為3∶1）對CMSs進行氧化制備氧化CMSs(O-CMSs)，進而選用1，6-己二胺(HDA)和十二胺(DDA)對O-CMSs胺化改性，制備HDA胺化CMSs(A1-CMSs)和DDA胺化CMSs(A2-CMSs)，通過考察N，N-二甲基甲酰胺(DCC)的用量、

4、反應(yīng)時間和反應(yīng)溫度對反應(yīng)產(chǎn)物的影響，優(yōu)化工藝參數(shù)，進一步提高CMSs的分散性和能級匹配性;并制備P3HT∶O-CMSs、P3HT∶A1-CMSs和P3HT∶A2-CMSs的復(fù)合薄膜，考察其光學(xué)性能，在此過程中，討論了共混比例、旋涂轉(zhuǎn)速、旋涂濃度和退火等因素對薄膜的影響。最后選用優(yōu)化條件下的薄膜作為聚合物電池的光敏活性層，探索其光伏性能。最終優(yōu)選一種與P3HT能級匹配、電池性能良好的聚合物太陽能電池受體材料。結(jié)果如下:
　　 1.

5、以雙層CMSs(結(jié)構(gòu)為C60@C240)為例，利用密度泛函理論(DFT)計算了不同數(shù)量的羧基與C60@C240表面接枝后結(jié)構(gòu)、帶隙變化規(guī)律以及相應(yīng)的前線分子軌道圖。發(fā)現(xiàn)接枝有機官能團，可以改善體系的表面化學(xué)性質(zhì)，不同的成鍵性質(zhì)決定了體系中能級、帶隙和相應(yīng)的光學(xué)性質(zhì)。
　　 2.對于0.3 g O-CMSs，當(dāng)DCC為0.3 g、反應(yīng)時間36h、反應(yīng)溫度110℃制備得到形貌規(guī)整A(1)-CMSs;對于0.2 g O-CMSs，當(dāng)D

6、CC為0.4 g、反應(yīng)時間24 h、反應(yīng)溫度70℃制備得到形貌規(guī)整A2-CMSs;對CMSs的氧化、HAD胺化和DDA胺化三種修飾均能改善CMSs在氯仿中的分散性和能級結(jié)構(gòu)，CMSs（O-CMSs，A1-CMSs和A2-CMSs）的電化學(xué)循環(huán)伏安(CV)分析證實其與P3HT能級匹配，可作為電池受體材料，LUMO能級順序為:A2-CMSs＞A(1)-CMSs＞O-CMSs。LUMO能級的提高，有利于提高電池開路電壓(Voc)，最終改善電池

7、的光伏性能。
　　 3.修飾后的CMSs(O-CMSs、A1-CMSs、A2-CMSs)與P3HT共混溶液體積比為1∶1、CMSs懸浮濃度和P3HT的濃度都為30 mg/mL、轉(zhuǎn)速為2500rpm時，旋涂制備的三種P3HT∶CMSs(P3HT∶O-CMSs、P3HT∶A1-CMSs、P3HT∶A2-CMSs)復(fù)合膜表面平整、缺陷較少，在可見光區(qū)光譜吸收與太陽光譜匹配性強，熒光猝滅現(xiàn)象明顯，激子分離率高;對三種異質(zhì)結(jié)復(fù)合膜的退火處