光能电池循环伏安合成性能

开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇光能电池循环伏安合成性能范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！

引言与无机太阳能电池相比，有机聚合物太阳能电池因其具有成本低、重量轻、可制成柔性器件以及易于大面积生产等优点，受到了越来越广泛的关注［1］。相应材料的研究范围也越来越广，从早期的聚(2-甲氧基-5-(2'-乙基己氧基)-1，4-苯撑乙烯撑)(MEH-PPV)、聚-3-己基噻吩(P3HT)等［2－3］，到现在的越来越多的新型稠环材料，而且通过各种后处理手段，材料的电池转换效率也有所提高。如Kim等［4］利用叠层结构，将光电转换效率提高到6.5%。Liang等［5］用含有噻吩酮［3，4-并］噻吩与苯并二噻吩的交替聚合物(PTB7)与［6，6］苯基-C71-丁酸甲酯(PC71BM)做成太阳能电池，效率超过了7%。Yang等［6］和Erb等［7］专门研究了光敏材料的形貌对太阳能电池电池效率的影响，优化相分离复合膜的相态，控制光敏层组分的结晶形貌，提高载流子的迁移率，使它们能有效和快速地被导出光敏层，以利于载流子的收集，从而提高太阳能电池效率。虽然有机聚合物太阳能电池拥有众多的优点，但相比于硅基下的无机太阳能电池，过低的转换效率(PCE)制约了它的进一步发展。基于前人对于有机太阳能电池材料的研究，有机聚合物太阳能电池材料的性能主要依赖于纳米尺度上的微观相态控制。而通过加入活性层材料和一些后处理步骤是实现对微观相态控制的有效方法。本文合成了一种新型的供体－受体双嵌段聚合物，该聚合物有两个氧化还原峰，均在负电位侧，表现出典型的受体性质。希望在后续的研究中将这种嵌段聚合物作为活性层材料，通过微观相态的调控，以提高太阳能电池的光电转化效率。

1实验部分

1.1原料三苯胺、叔丁醇钾、三苯甲基溴化鏻、2-甲基蒽醌、甲基丙烯酸羟乙酯、1，1，4，7，7-五甲基二乙烯基三胺(PMDETA)，天津阿法埃莎化学有限公司;三氯氧磷、三氧化铬、二氯亚砜、溴化亚铜、三水合乙酸钠、无水硫酸镁、苄溴，北京化学试剂公司;四氢呋喃(THF)、N，N-二甲基甲酰胺(DMF)、乙醇、乙醚、石油醚、乙酸乙酯、冰醋酸、吡啶、甲醇，北京化工厂。以上试剂均为分析纯，其中THF和DMF经氢化钙干燥并重蒸后使用，其余直接使用。

1.2单体的合成供体段单体对(N，N-二苯基)氨基苯乙烯的合成参照文献［8］的方法，如反应式(1)所示。受体段单体2-(2-蒽醌甲酰氧基)甲基丙烯酸乙酯的合成

1.2.1对(N，N-二苯基)氨基苯甲醛(2)向三口烧瓶中加入DMF(50mL)，搅拌下冷却到15℃，缓慢加入POCl3(3.75mL，40.0mmol)，混合过程中体系变为粉红色，然后升温到30℃，迅速加入三苯胺(4.906g，20.0mmol)，加热到85～90℃，反应3h，此过程中，体系颜色逐渐变深，最后为深红色。此混合物降温到40℃，搅拌下倒入20g碎冰和20g水的混合物中，淬灭反应，再加入20gNaOAc•3H2O和20g水的混合物。搅拌片刻，静置过夜，抽滤，固体用水洗涤，得浅黄色固体粉末。用乙醇重结晶，得针状晶体4.75g，产率86.8%。1H-NMR(400MHz，CDCl3)δ:9.80(s，1H)，7.66(d，2H)，7.33(t，4H)，7.16(d，6H)，7.01(d，2H)。

1.2.2对(N，N-二苯基)氨基苯乙烯(3)氮气保护下向三口烧瓶中加入叔丁醇钾(0.896g，8.0mmol)和THF(35mL)，搅拌下加入三苯甲基溴化鏻(Ph3P+CH3Br－)(3.0g，8.0mmol)，体系变为亮黄色浑浊液。保持温度在15℃，缓慢滴加对(N，N-二苯基)氨基苯甲醛(2.184g，8.0mmol)与25mLTHF的混合液，滴加完毕后加热回流3h，此过程中，体系亮黄色颜色逐渐褪去，最后为乳白色浑浊液。反应完毕后，反应混合物倒入冰水中，用四氢呋喃萃取3次。合并四氢呋喃相用无水硫酸镁干燥，旋蒸除去溶剂，柱层析，洗脱剂为体积比为30∶1的石油醚、乙酸乙酯，白色固体2.012g，产率92.8%，1H-NMR(400MHz，CDCl3)δ:7.27(d，2H)，7.25(t，4H)，7.08(d，4H)，7.01(d，4H)，6.63～6.68(q，1H)，5.63(d，1H)，5.14(d，1H)。

1.2.3蒽醌-2-甲酸(5)［9］向三口烧瓶中加入2-甲基蒽醌(7.0g，31.5mmol)和CrO3(46.2g，462.0mmol)，冰醋酸(330mL)，加热回流，体系颜色从桔黄色变为深绿色，冷却，抽滤，固体用水洗涤至滤液无色，得白的针状固体3.86g，产率51.6%，1H-NMR(400MHz，CDCl3)δ:13.72(s，1H)，8.68(s，1H)，8.41(d，1H)，8.32(d，1H)，8.25(m，2H)，7.97(m，2H)。

1.2.4蒽醌-2-甲酰氯(6)向三口烧瓶中加入蒽醌-2-甲酸(3.86g，15.1mmol)和35mLSOCl2，加热回流5h，过滤，滤液旋蒸除去过量的SOCl2，得淡绿色有金属光泽的片状固体3.85g，产率92.3%，1H-NMR(400MHz，CDCl3)δ:9.12(s，1H)，8.61(d，1H)，8.54(d，1H)，8.40(m，2H)，7.89(m，2H)。

1.2.52-(2-蒽醌甲酰氧基)甲基丙烯酸乙酯(7)向三口烧瓶中加入蒽醌-2-甲酰氯(3.68g，13.6mmol)和30mLTHF的混合物。室温下缓慢滴加甲基丙烯酸羟乙酯3mL和20mLTHF的混合物，再滴加1mL吡啶。滴加完毕，室温下反应5h，过滤，滤液旋蒸除去溶剂，柱层析，洗脱剂为体积比为5∶1的石油醚、乙酸乙酯，得淡黄色针状晶体3.52g，产率71.0%，1H-NMR(400MHz，CDCl3)δ:8.96(s，1H)，8.44(m，2H)，8.35(m，2H)，7.86(m，2H)，6.19(s，1H)，5.64(s，2H)，4.68(t，1H)，4.56(t，2H)，1.99(s，2H)。

1.3双嵌段聚合物的合成利用ATRP聚合法［10］合成双嵌段聚合物，反应1.3.1预聚体P1室温下在100mL三口烧瓶中依次加入PMDE-TA(0.15mmol)，CuBr(0.15mmol)。液氮冷冻条件下，经3次“冷冻－抽排－解冻”除体系中的空气。用注射器加入苄溴(PhCH2Br)(0.15mmol)，化合物3(15mmol)与THF8mL的混合溶液。搅拌使之充分混合，持续通入氮气20min、密封，在65℃油浴中回流反应，9h后取出三口烧瓶，自然冷却。过中性Al2O3柱，以甲醇为沉淀剂纯化聚合物，真空干燥。1.3.2双嵌段聚合物P1-b-P2室温下在100mL三口烧瓶中依次加入预聚体P1(0.125mmol)，CuBr(0.125mmol)，PMDETA(0.15mmol)，化合物7(12mmol)，液氮冷冻条件下，经过3次“冷冻－抽排－解冻”除体系中的空气。用注射器加入溶剂THF，且搅拌使之充分混合，持续通氮气20min，密封，在65℃油浴中反应，9h后，取出三口烧瓶，自然冷却。过中性Al2O3柱，以甲醇为沉淀剂纯化聚合物，真空干燥。

1.4分析测试紫外光谱用日本岛津SHIMADZUUV1800型紫外－可见分光光度计测试，荧光光谱用日本VarianCaryEclipse测试，溶剂均为CHCl3。1H-NMR用德国BrukerAV-400(400MHz)测试，CDCl3为溶剂，TMS为内标。聚合物的数均分子量(Mn)和重均分子量(Mw)由美国WatersGPC1515测试，THF为流动相，采用聚苯乙烯标样。热性能由德国耐弛DSC204测试。电化学性质用美国PARSTAT2273电化学工作站测试，测试所使用的工作电极是玻碳电极，参比电极是甘汞电极，辅助电极是铂片电极，扫描速度是100mV/s，电解质是四丁基六氟磷酸盐(Bu4N+PF－6)的乙腈溶液，浓度0.1mol/L。

2结果与讨论

2.1聚合物的分子量及热性能图1为预聚体P1和双嵌段聚合物P1-b-P2的凝胶渗透色谱图。GPC测试表明，预聚体P1的数均分子量为900，分散系数(PDI)为1.32，双嵌段聚合物P1-b-P2的数均分子量为7600，PDI为1.80。图2为预聚体P1和双嵌段聚合物P1-b-P2的核磁氢谱。由于供体段单体对(N，N-二苯基)氨基苯乙烯的三个苯环的空间位阻比较大，聚合难度大，所以供体段分子量较小。而受体段单体2-(2-蒽醌甲酰氧基)甲基丙烯酸乙酯位阻小，聚合容易，因此得到的受体段分子量较大。从图2中也可以得到相同的结论，由于P1段太短，δ6.4～7.1处三苯胺环上的氢的吸收峰在P2的核磁氢谱中很小。差示扫描量热法(DSC)测试表明，该双嵌段聚合物的玻璃化转变温度为106.6℃。

2.2聚合物的紫外吸收和荧光发射光谱以氯仿为溶剂，对双嵌段聚合物进行紫外－可见吸收光谱测定。从图3看出，曲线1中305nm处的吸收为蒽醌芳环的吸收，与三苯胺的苯环的吸收有遮盖。以300nm作为激发波长、氯仿为溶剂，进行荧光发射光谱测试(图3曲线2)，得到双嵌段聚合物的最大发射波长为388nm，相比于紫外吸收有较大的红移。

2.3聚合物的电化学性质聚合物的电化学性质由循环伏安(CV)进行测试。对双嵌段聚合物整圈扫描所得循环伏安图如图4所示。聚合物的起始氧化和还原电位由基线和起始峰处切线交点所确定［11］。氧化峰的起始电位Eox对应于最高占据轨道HOMO的最高能级;还原峰的起始电位Ered对应于最低未占轨道LUMO的能级。Fig．4Cyclicvoltammogram(CV)ofpolymerP1-b-P2由图4可见，该双嵌段聚合物有两个氧化峰(Eox1=－1.00V，Eox2=－0.39V)和两个还原峰(Ered1=－1.16V，Ered2=－0.67V)，均在负电位侧，表现出典型的蒽醌的受体性质，即蒽醌的吸电子性质［12］，这与GPC和核磁测试结果相吻合，即:供体段短，而受体段长［13］。

3结论

(1)用简单方法合成了两种单体，在此基础上经ATRP聚合法得到了一种供体－受体双嵌段聚合物P1-b-P2，该聚合物在305nm处有紫外吸收，在388nm处有较强的荧光发射峰。(2)双嵌段聚合物供体段的数均分子量为900，聚合物的数均分子量为7600;(3)循环伏安测试表明该聚合物的氧化还原峰均为负值，即:Ered1=－1.16V，Ered2=－0.67V，表现为受体段比供体段长，这与核磁数据和GPC的测试结果相一致。