基于C60(OCH3)4的有机太阳能电池受体材料的合成与性能研究

摘要

C60是由60个碳原子组成的笼状分子,在1985年被发现后,引起了人们的广泛关注,之后大量的富勒烯新结构通过内嵌与外接的方式被成功的合成与分离出来。由于C60在合成与分离中较其他富勒烯结构更容易,所以以C60作为底物的富勒烯衍生物合成仍然很受青睐,在作为功能材料方面也有较大的发展空间。
　　目前,富勒烯常被用作聚合物太阳能电池的受体材料,聚合物太阳能电池一般由共轭聚合物给体和可溶性富勒烯衍生物受体的共混膜夹在ITO透明正极和低功函数金属负极之间形成,与无机半导体太阳能电池相比具有制备过程简单,成本低、重量轻和可制备成柔性器件等突出优点,成为国内外研究的热点。在众多提高聚合物太阳能电池光电转换效率的方法之中,富勒烯衍生物受体材料性能的不断提高显得尤为重要,作为受体材料的富勒烯衍生物需要具备较宽较强的可见光区吸收、高的电子迁移率以及合适的电子能级等条件。本论文,以C60C16为原料,通过自由基加成反应合成了C60(OCH3)4中间体,中间体经过重氮烷烃和叠氮烷烃环加成反应分别合成了C60(OCH3)4-PCBM和C60(OCH3)4-APCBM两种新颖的富勒烯结构,并应用高效液相色谱法对其进行了分离纯化,同时应用核磁共振波谱(NMR)、APCI-MS和红外光谱(IR)等测试对其结构进行了分析,C60(OCH3)4-APCBM和C60(OCH3)4-PCBM的紫外可见光谱和循环伏安特性测试显示了其作为太阳能电池受体材料的光吸收能力以及电子传输能力,最后通过对比P3HT/C60(OCH3)4-APCBM、P3HT/C60(OCH3)4-PCBM和P3HT/PCBM作为活性层的电池光电转化性能,分析解释了这两种富勒烯新结构结构对电池开路电压、短路电流和填充因子等参数的影响。这一实验加深了我们对太阳能电池光电转换过程的理解。
　　以氯化富勒烯为底物进行有机反应具有多种优点,首先氯原子作为好的加成离去基团不仅能够提高底物的反应活性,而且反应产物功能基团的加成位置能够确定,其次氯化富勒烯种类繁多,其中还包括了多种非IPR结构的碳笼,所以,以氯化富勒烯为底物进行衍生化反应会为富勒烯功能材料的制备提供更多的路径和方法。
　　应用于聚合物太阳能电池中的富勒烯衍生物要求有较高的溶解度,而包括氯化富勒烯在内的很多富勒烯衍生物均只能溶解在少数几种有机溶剂中,这极大地限制了它的发展应用。我们通过在富勒烯球体上加上甲氧基的方式来增加衍生物的溶解性,并取得了非常理想的结果。同时,甲氧基作为给电子基团直接连接于碳笼上能够大大提高富勒烯碳笼的LUMO电子轨道,从而提高太阳能电池的开路电压。