PCBM类似物和MDNC二加成衍生物的设计、合成及光伏性能研究

摘要

聚合物太阳能电池具有重量轻、成本低、便于制造和携带等优点，已成为太阳能电池领域的研究热点和重要发展方向。富勒烯衍生物（PCBM）是目前公认的聚合物太阳能电池最佳受体材料，其化学修饰和物理化学性质表征是聚合物太阳能电池研究领域的热点。为了进一步提高聚合物太阳能电池的光电转化效率，许多研究工作者一直致力于寻找宽光谱吸收、高LUMO轨道能级、高的电子迁移率，且合适电子能级的新型聚合物太阳能电池受体材料，进而提高电池器件的开路电压或短路电流，达到提高电池性能的目的。
　　本文基于PCBM、ICBA、QDNC设计合成出两类新型富勒烯衍生物受体材料，即基于PCBM改性的PCBM类似物；富勒烯二加成衍生物MDN-PCBM和MDN-ICMA。采用Dmol3计算方法对设计分子的HOMO和LUMO能级进行模拟计算，通过与PCBM对比进行分子结构筛选；以4-苯甲酰基丁酸、对甲苯磺酰肼、C60和六种醇类等为主要原料，合成并分离得到PCBM类似物F1—F6；以PCBM和ICMA为基体，3,4-二甲基溴茴香醚为原料，设计合成了富勒烯二加成衍生物MDN-PCBM和MDN-ICMA；利用UV-Vis、IR、1H NMR、13C NMR、MS和元素分析等手段对产物及中间体的结构进行了表征；并与P3HT共混制备器件，在光照AM1.5 G，82 mW/cm2下，测出基于F1—F6的器件光电转化效率分别为2.94％、3.19%、3.33%、1.24%、0.96%和1.97%；基于MDN-PCBM的器件光电转化效率为3.67%，比基于P3HT:PCBM参比器件（3.09%）要高18.8%；基于MDN-ICMA的器件的Voc为0.88 eV，比基于P3HT:PCBM参比器件要高0.34 V，增长率为62.9%，但 Jsc、FF较低，导致光电转化效率为1.68%，预测器件的制备手段对器件光电转化效率影响较大。为聚合物太阳能电池富勒烯受体材料设计和合成研究提供理论依据和技术参数。