聚合物太阳能电池用富勒烯电子受体材料的设计

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聚合物太阳能电池用富勒烯电子受体材料的设计

摘要

聚合物太阳能电池因其制作工艺简单、成本低、重量轻和柔性好等优点而备受人们的关注。近年来，聚合物太阳能电池取得较快的发展，其中，光伏材料的研究进展起着至关重要的作用，尤其是给体材料的发展带动了聚合物太阳能电池较快的发展。目前，人们主要致力于给体材料的优化，而对受体材料的研究却比较少，以至于目前使用得最普遍的电子受体材料仍然是[6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯(PC60 BM)和与其对应的C70衍生物PC 70 BM。然而，P C60 BM 和PC 70 BM 存在一些缺点，比如，与常见的给体材料相比，它们的LUMO 轨道相对较低；还有，它们在可见区的吸收较弱。因此，设计和合成出具有高的LUMO轨道和在可见区具有较强吸收的新型富勒烯衍生物是非常重要的。

关键词：聚合物太阳能电池富勒烯电子受体

Abstract

Polymer solar cells have attracted great attention due to their advantages of easy fabrication，low cost，lightness and flexibility．Materials development has played a vital role in the dramatic improvement of polymer solar cells performance in recent years，and this is driven primarily by the advancement of conjugated polymer donormaterials．While most material development efforts have been dedicated to optimizing the donor materials，significantly less attention has been placed on acceptor materials which to date remain dominated by fullerene derivatives[6, 6]-phenyl-C61-butyric acid methyl

ester(PC60BM)and itscorresponding C 70 derivative P C 70BM．However,PC60BM and P C BM have some drawbacks such asrelatively low LUMO energy levels compared with

70

those of common donors and weak visible absorption．So，it is very important to design and synthesize new fullerene derivatives with up。Shifted LUMO energy levels and strong visible absorption for polymer solar cells．

Keywords：Polymer solar cells；Fullerene；ElectronAcceptor.

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目录

摘要 (1)

Abstract (1)

目录 (2)

第1章绪论 (3)

1.1引言 (3)

1.2聚合物太阳能电池的基本原理 (3)

1.3富勒烯衍生物受体材料 (4)

1.4基于PCBM 结构的富勒烯受体材料 (5)

第2章设计部分 (7)

2.1 目标分子设计 (7)

2. 2分子轨道能级计算 (8)

第3章结论 (12)

第4章总结与体会 (13)

第5章谢词 (13)

参考文献 (13)

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第1章绪论

1.1引言

目前，最有效的提高富勒烯的LUMO轨道的方法是对富勒烯进行多加成反应。例如，PCBM的二加成产物(bisPCBM)的LUMO轨道比PCBM高0．1ev左右，因此，基于P3HT：bisPCBM的电池的开路电压比P3HT：PCBM电池要高。

李永舫等人[1]合成出来的C60双加成产物(ICBA)，其LUMO轨道比PCBM高0．17 eV。基于P3HT：ICBA的太阳能电池的能量转换效率可达5．44％，开路电压高达O．84 V(通过优化之后能量转化效率可达6.48％。为了研究富勒烯[2+2]环加成产物对光伏性能的影响，我们合成了苯炔和C60进行[2+2]环加成的产物：苯炔-C60二加成产物(BCBA)，并研究了它的结构与光伏性能的关系。

1.2聚合物太阳能电池的基本原理

聚合物太阳能电池的工作原理不同于无机太阳能电池, 共轭聚合物吸收光子以后并不直接产生可以自由移动的电子(electron)和空穴(hole), 而是产生具有正负偶极的电子空穴对(激子). 只有当这些激子被解离成可以自由移动的电荷载流子, 并被相应的电极收集以后才能产生光伏效应. 如图1.1所示, 聚合物太阳能电池的工作原理包括: (1) 活性层光伏材料吸收光子产生电子空穴对(激子), 这就要求材料对太阳光具有较好的吸收性质; (2) 激子扩散至给体:受体界面. 激子在扩散途中容易发生复合, 通过发光、弛豫等方式重新回到基态, 只有到达界面处的激子才有可能被分离成电荷载流子, 产生光伏效应. 聚合物半导体中激子的扩散长度通常只有10 nm 左右[9]；这就要求活性层中给体和受体相分离的尺寸不超过20 nm；(3)电荷分离要求所选用电子给体的最低空轨道LUMO能级比电子受体的LUMO能级高0.3~0.5 eV以上, 这样在电势差驱动之下, 电子由给体的LUMO能级转移到受体的LUMO 能级上; (4)电荷载流子输过程中复合, 提高电荷载流子的传输效率; (5) 电荷载流子的收集. 空穴和电子分别被阳极和阴极收集形成光电流和光电压, 从而产生光伏效应. 这就要求电极和活性层之间欧姆接触良好, 同时要求阳极和阴极具有合