洋葱状富勒烯/聚噻吩类本体异质结的制备及其光伏效应研究

绿色环保且低廉的碳膜材料在能源和信息方面已展现出潜在的应用前景。本课题针对"洋葱状富勒烯(OLFs)基碳膜材料界面(表面)结构与光伏性能关系"这一关键科学问题，在申请者多年来进行的OLFs制备、改性和性能研究的基础上，设计一种界面化学匹配、能级匹配和结构匹配的OLFs/共轭聚合物聚噻吩类本体异质结，采用共混、原位聚合、接枝聚合等方法合成OLFs/聚合物复合膜：首先对OLFs进行表面修饰，然后经接枝、自组装、聚合形成一种高效、绿色、廉价和可大面积生产的吸收宽波长的太阳能电池材料。通过所得膜的结构表征和光电性能测试，讨论OLFs/聚合物界面(表面)结构对光伏性能的影响规律；将金属纳米颗粒和光子晶体结构引入薄膜，揭示复合膜和界面形成的内在规律，旨在发现材料界面(表面)结构和光伏性能之间的关联规律，为OLFs类纳米碳材料在太阳能电池中的应用提供数据基础和理论准备。

本项目首先借助于双层OLFs表面性质的理论研究，考察碳微球（CMSs）能级结构和光电性能的关系，然后以OLFs/聚噻吩类本体异质结的制备为目的，在对多层OLFs（或CMSs）表面氧化修饰的基础上，进一步用1,6-己二胺进行胺化修饰，以提高CMSs与给体材料聚3-己基噻吩（P3HT）的相溶性以及能级匹配性，最后通过溶液共混法旋涂制备聚3-己基噻吩/碳微球（P3HT/CMSs）和聚3-己基噻吩/胺化碳微球（P3HT/A1-CMSs）复合膜，考察其光学性能，并选用其薄膜作为聚合物电池的光敏活性层初步探索电池的光电性能。采用原子力显微镜、紫外-可见吸收光谱、光致发光谱、电流-电压曲线等表征产物的形貌、结构及性能。主要成果如下：.（1）以双层OLFs（结构为C60@C240）为例，利用密度泛函理论计算了不同数量的羧基与C60@C240表面接枝后结构、带隙变化规律以及相应的前线分子轨道图。发现不同的成键性质决定了体系中能级、带隙和相应的光学性质。进一步对氧化CMSs进行电化学循环伏安分析，证明了其作为聚合物太阳能电池受体材料的可行性。.（2）在转速为2500rpm、CMSs悬浮浓度和P3HT的浓度均为30mg∕mL、共混比例为1:1时，旋涂制得P3HT/CMSs复合膜表面平整且缺陷较少；P3HT/CMSs复合膜由于CMSs受体材料的引入紫外吸收光谱发生红移并增强，与太阳光谱更为匹配，发生荧光猝灭而有利于有效电荷传输；复合膜退火后结晶性增强，激子迁移率提高；P3HT/CMSs电池相比P3HT单层膜电池的开路电压（Voc）和短路电流明显提高，能量转换效率（η）提高了约1倍。.（3）对于0.3g氧化CMSs，当缩合剂用量为0.3g，反应时间为36h，反应温度110℃时所得的A1-CMSs粒径均匀，形貌规整；A1-CMSs的最低分子未占有轨道能级相比氧化CMSs有所提高，有利于电池的开路电压的提高；A1-CMSs与P3HT共混比例为1:1时，复合膜形貌最佳，光学性能最优；与P3HT/CMSs光伏器件相比，P3HT/A1-CMSs的器件的η提高了约25%。.（4）在本基金资助下，通过上述研究，取得成果为：申请专利3项；出版专著1部；发表期刊论文6篇，其中SCI收录5篇，EI收录5篇；待发表期刊论文3篇；国际学术会议和全国性学术会议论文8篇；培养毕业硕士2名；在读硕士5名。