新型C60衍生物的合成及其作为聚合物太阳能电池受体材料的性能研究

Fullerenes and their derivatives are one kinds of novel acceptor materials in bulk heterojunction polymer solar cells due to their unique electronic and optical properties. This project is aimed to design and synthesize some novel bisadduct [60]fullerene derivatives containing substituted indene, substituted dihydronaphthene, porphyrin, tetrathiafulvalene and ferrocene groups, to explore a condition to control the selectivity and the yield for [60]fullerene derivatization, to obtain bisadducts of [60]fullerene with special composition and structures, to study their photophysical and electrochemical properties and investigate the relationship between materials structure and properties, in order to obtain novel bisadduct [60]fullerene derivatives with good solubility, high electron mobility and high LUMO energy levels. These bisadduct [60]fullerene derivatives will be used as acceptors in polymer solar cells while poly(3-hexylthiophene) (P3HT) as donor, their photovoltaic performance will be tested and optimized to explore the mechanism for the generation of photocurrent and electron transfer and to provide a theoretical basement and pay a way to design practical polymer solar cells. Therefore this project has not only academic meanings but also promising practical values, and will support the development of fullerenes science and of new acceptor materials for higher photovoltaic performance.

富勒烯及其衍生物具有优异的电学、光学特性，因而是一类潜在的新颖受体光伏材料。本项目设计并合成一系列新型含取代茚、取代二氢萘、卜啉、四硫富瓦烯、二茂铁等基团的C60双加成衍生物,探索有效控制C60的衍生化程度以提高反应选择性及产率的方法和条件，进而得到具有特定结构的C60双加成衍生物，研究其光物理和电化学性能, 探索其结构与性能的关系，以期获得在可见光区有强吸收、具有好的溶解性和高的最低空轨道能级的新型C60衍生物，优化其与聚-(3-己基噻吩)等构筑太阳能电池器件的条件和性能，探索光电流的产生机理、电子的传递过程等，从而为设计合成出具有实用意义的体异质结有机太阳能电池提供理论依据。因此，本项研究不仅具有重要的学术意义而且具有潜在的应用价值，并将对富勒烯科学和新型光伏受体材料研究具有重要意义。

合成了系列新型含取代茚、二氢萘、卜啉、四硫富瓦烯、二茂铁等基团的C60双加成衍生物，研究了其光物理和电化学性能, 探索其结构与性能的关系。利用液相自组装法成功制备了C60Cl6纳米螺旋和微米花结构，探讨了溶剂、温度、浓度等对其形貌的影响,并提出了其可能的生长机理。合成了C60、C60衍生物（N-甲基-2-苯基-3,4-富勒烯吡咯烷、C60CHCOOH、C60的二氢萘基双加成衍生物等）与无机纳米结构（SnO2、TiO2、ZnO、ZnWO4）形成的复合材料, 提高了宽禁带宽度的半导体材料在可见光下催化降解有机染料的活性。探索合成了新型氮掺杂石墨烯（NG）基复合材料，如Cu2O/NG, Cu7S4/NG, Ni/NG, Cu/Co/NG和Cu/Ni/NG等，其修饰电极对过氧化氢、葡萄糖和乙醇的具有良好的电催化效果。尝试合成了NG-BiOBr、NG-Ag2CO3、NG-ZnO、NG-AgX@Ag (X=Br, Cl)、NG-Bi2WO6、NG-SnO2、3D RGO (三维还原的氧化石墨烯)-BiOBr、RGO- BiOCOOH复合材料, 优化了其组成和结构，可用于在可见光照射下降解有机染料。通过表面活性剂辅助的离子交换法使用Ag2CO3 亚微米棒作为前驱体合成了粒径为250–600 nm的Ag3PO4十二面体，其具有优异的催化降解有机染料的特性，且催化性能与形貌结构相关。摩尔比1：1的Ag3PO4-Bi2O2CO3复合材料在可见光下降解罗丹明B效率最高，是纯Bi2O2CO3的2.2倍。建立了在室温条件下通过液相自组装可控合成卟啉锌八面体微米晶的简便快速方法, 不需加入任何催化剂、表面活性剂等其他试剂。通过简单的沉淀法制备了Ag2SO3亚微米粒子，并且对纯的Ag2SO3的光催化性能进行了系统的研究。发现Ag2SO3亚微米粒子具有比商用TiO2(P25)更高的可见光催化活性，准一级反应动力学常数约为1.7倍；加入牺牲剂Na2SO3可以有效地抑制循环光催化降解有机染料反应过程中Ag2SO3亚微米粒子的光腐蚀。