具有光活性的电子给体/受体双缆型共轭聚合物的设计、合成和性能研究

【摘要】：聚合物太阳能电池(polymer solar Cells,PSCs)采用共轭导电聚合物作为光活性材料,加工简单,成本低廉,同时具有可制造柔性和大面积光伏器件的优点,近年来一直成为国际研究热点。聚合物太阳能电池中作为电子给体(donor)的共轭聚合物和作为电子受体(acceptor)的富勒烯材料的性质是影响电池性能的重要因素,而给体和受体材料的能带匹配、相容性及相分离尺寸的控制则是设计聚合物太阳能电池的光活性材料所需考虑的核心问题。本论文从合成新型的富勒烯/共轭聚合物分子异质结复合结构的的研究思路出发,开展了以下几个方面的工作: (1)合成了一种由C_(60)和戊基双取代的带支链的给体/受体型(donor/acceptor,D/A)聚乙炔衍生物(PA-C60)并对其电子性质、光学性质和薄膜表面形貌进行了系统的研究。结果表明PA-C60在常用溶剂中有较好的溶解性。我们首次发现C_(60)的取代使得双取代的乙炔单体的聚合过程显著加快,并且在很短的时间内就可反应完毕(不超过1.5 min),并对于此现象提出了相应的解释。 (2)通过简单的三步后聚合反应,合成了一种可控含量C_(60)取代的电子给体-π-受体(donor-π-acceptor)双缆型聚己基噻吩(P3HT)衍生物C60-Ph-P3HT,该结构中富勒烯和噻吩的连接是通过苯环结构作为桥梁实现的。我们对C60-Ph-P3HT的分子结构、电子性质、分子排列和薄膜表面形貌进行了一系列的表征,荧光光谱表征结果表明C60的取代对于P3HT的荧光强度的淬灭可达到98%,AFM研究表明C60-Ph-P3HT薄膜的表面粗糙度均大于未取代的P3HT。综合此两方面的性质,我们提出C60-Ph-P3HT可以作为一种新型的光活性材料应用于聚合物太阳能电池中。 (3)利用后聚合反应合成了一种新型的芘(pyrene)修饰的聚己基噻吩(P3HT)衍生物Pyrene-P3HT,并利用Pyrene-P3HT对单壁碳纳米管(SWNTs)进行了不同比例的非共价修饰制备出SWNT/Pyrene-P3HT复合结构,深入研究了复合结构中SWNT和Pyrene-P3HT之间的非共价相互作用。紫外-可见吸收光谱、拉曼光谱和电子顺磁共振光谱电化学研究揭示了Pyrene-P3HT中的P3HT通过芘单元与SWNTs发生电子相互作用。荧光光谱表征表明SWNTs的复合导致Pyrene-P3HT的荧光强度发生了将近100%的淬灭,证实了P3HT与SWNTs之间可以通过芘单元发生光诱导电子转移。对SWNT/Pyrene-P3HT的薄膜表面形貌进行SEM和TEM研究的结果表明Pyrene-P3HT可以很好地促进SWNTs在有机溶剂THF中的分散。