新型富勒烯受体光伏材料的合成及光伏性能研究

【摘要】：聚合物太阳能电池(Polymer Solar Cells, PSCs)由于原材料来源广泛、成本低、重量轻、柔性可弯折、易于大面积制备等突出的优点近年来受到广泛的关注。对于常用的体相异质结聚合物太阳能电池而言,光活性层材料一般由共轭聚合物作为给体光伏材料和富勒烯衍生物作为受体光伏材料物理共混而成。富勒烯因其接受电子能力强,电子迁移率高,与共轭聚合物共混产生超快光诱导电荷转移现象等独特性质使其成为优良的电子受体光伏材料。但本论文集中于设计与合成的新型富勒烯受体光伏材料并将其应用于聚合物太阳能电池,开展了以下两个方面的工作： (1)通过简单的酯化反应,首次将染料分子3-乙基绕丹宁连接到[6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯(PCBM)上,合成了具有增强的光吸收性能的新型富勒烯受体光伏材料PCBRh。紫外-可见吸收光谱表征表明所合成的PCBRh在300-600nm比起PCBM具有更强的光吸收,这归因于3-乙基绕丹宁高的吸光系数。电化学测试表明PCBRh的LUMO能级比PCBM高0.10eV,这是由于绕丹宁基团的给电子性质造成的。将PCBRh作为受体光伏材料与聚己基噻吩(P3HT)共混构建出体相异质结太阳能电池,在优化的制备工艺(P3HT/PCBRh=1:1(w/w),135℃热处理10min)下,电池器件的能量转换效率为1.46%。AFM表征表明退火处理对光活性层的形貌有着非常显著的影响：未退火时P3HT与PCBRh中存在很多分立的球形聚集,而退火后P3HT则聚集成长度约为20nm的长条,有利于载流子的迁移,使效率比未退火时明显增加。 (2)以提高受体光伏材料LUMO能级为出发点,将富电子基团双(5-甲基噻吩)酮通过重氮化反应直接加成到富勒烯C60上,分别得到单加成衍生物DMTCMA和双加成衍生物DMTCBA。紫外-可见光谱表征,电化学测试结果表明DMTCMA和DMTCBA的LUMO能级比PCBM分别分别提高了0.06eV、0.11eV。将DMTCMA和DMTCBA分别作为受体光伏材料与P3HT共混组装成的体相异质结聚合物太阳能电池器件的开路电压均大大提高,其中基于DMTCBA的器件开路电压达到0.76V,而同等条件下参比P3HT:PCBM电池开路电压为0.61V。基于DMTCMA与DMTCBA受体光伏材料的电池器件效率分别为1.45%和0.82%,均低于基于PCBM的参比电池的效率。AFM分析结果表明,基于DMTCBA受体光伏材料的电池器件性能偏低的主要原因是光活性层薄膜过大的相分离不利于激子的扩散与分离,这可能是由于双加成DMTCBA富勒烯分子不易堆叠结晶,而P3HT优先结晶造成过大的P3HT相聚集造成的。