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基本信息

項(xiàng)目名稱：
含金屬配合物染料的聚酰亞胺光伏材料制備
小類：
能源化工
簡介：
本文通過分子設(shè)計首先合成了二胺單體，然后通過二胺與二酐縮聚制得含有螯合配體和電荷傳輸基團(tuán)的三元聚酰亞胺；最后使其與小分子金屬配合物反應(yīng)，制得含金屬配合物染料和電荷傳輸基團(tuán)的聚酰亞胺（PI-Ru）。分別通過1HNMR、紅外光譜、溶解性、熱分析及紫外可見光譜，對其結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行了表征。明確了其結(jié)構(gòu)，并證明其具有較好的溶解性、熱穩(wěn)定性、較寬的光譜吸收且吸收邊帶拓寬至800 nm。
詳細(xì)介紹：
在當(dāng)前能源供需矛盾日益突出的形勢下，太陽能的開發(fā)與利用引起了人類極大的重視，而基于光伏效應(yīng)的太陽能電池是開發(fā)利用太陽能的最有效方法之一。合成熱穩(wěn)定性和光化學(xué)穩(wěn)定性較高、在可見光區(qū)有較強(qiáng)吸收、具有較大電荷遷移率的新型聚合物光伏材料，對聚合物太陽能電池的發(fā)展具有重大的意義。 通過分子設(shè)計合成了新單體M1、含空穴傳輸基團(tuán)和螯合配體的聚酰亞胺（PI）、含金屬配合物染料和空穴傳輸基團(tuán)的聚酰亞胺（PI-Ru）。 對其進(jìn)行了1HNMR、紅外光譜表征，明確了單體和聚合物的結(jié)構(gòu)。 溶解性表征結(jié)果表明所合成聚合物PI和PI-Ru具有較好的溶解性，為聚合物通過旋轉(zhuǎn)涂膜制備光活性層做好準(zhǔn)備。也間接的證明了在合成PI-Ru的過程中沒有生成互穿網(wǎng)絡(luò)的凝膠結(jié)構(gòu)。 熱分析結(jié)果表明所合成的PI和PI-Ru都具有較好的熱穩(wěn)定性。并且金屬配合物的引入降低了聚合物的熱分解溫度。這一點(diǎn)也證明了金屬配合物被引入到聚合物內(nèi)部。 紫外可見光譜分析表明金屬配合物的引入拓寬了PI的吸收光譜，使其吸收邊帶拓展到800 nm；這也證明了金屬配合物和聯(lián)吡啶螯合配體已經(jīng)發(fā)生配位，被成功的引入到聚酰亞胺結(jié)構(gòu)中。 通過四種光伏器件研究，表明通過陽極修飾的器件3有較好的光伏特性，開路電壓為0.36 V，光電轉(zhuǎn)換效率為3.89×10-3 %。

作品圖片

  • 含金屬配合物染料的聚酰亞胺光伏材料制備
  • 含金屬配合物染料的聚酰亞胺光伏材料制備
  • 含金屬配合物染料的聚酰亞胺光伏材料制備

作品專業(yè)信息

撰寫目的和基本思路

目的：通過分子設(shè)計合成含金屬配合物的聚酰亞胺光伏材料 思路: 通過利用螯合配體聯(lián)吡啶二胺、空穴傳輸二胺和6FDA二酐，以及金屬配合物合成了含金屬配合物的聚酰亞胺光伏材料，并對其溶解性、光物理性能進(jìn)行分析，制備出光伏器件，測試研究了其光伏特性。

科學(xué)性、先進(jìn)性及獨(dú)特之處

通過分子設(shè)計將金屬配合物染料引入聚酰亞胺的主鏈，合成了含金屬配合物和空穴傳輸基團(tuán)、對可見光有較強(qiáng)吸收能力、熱穩(wěn)定性較好的可溶性聚酰亞胺光伏材料，并對其光伏性能進(jìn)行了研究，證明了其具有較高的學(xué)術(shù)價值和應(yīng)用前景。

應(yīng)用價值和現(xiàn)實(shí)意義

在當(dāng)前能源供需矛盾日益突出的形勢下，太陽能的開發(fā)與利用引起了人類極大的重視，而基于光伏效應(yīng)的太陽能電池是開發(fā)利用太陽能的最有效方法之一。合成熱穩(wěn)定性和光化學(xué)穩(wěn)定性較高、在可見光區(qū)有較強(qiáng)吸收、具有較大電荷遷移率的新型聚合物光伏材料，對聚合物太陽能電池的發(fā)展具有重大的意義。

學(xué)術(shù)論文摘要

通過分子設(shè)計合成了新單體M1、含空穴傳輸基團(tuán)和螯合配體的聚酰亞胺（PI）、含金屬配合物染料和空穴傳輸基團(tuán)的聚酰亞胺（PI-Ru）。 對其進(jìn)行了1HNMR、紅外光譜表征，明確了單體和聚合物的結(jié)構(gòu)。 溶解性表征結(jié)果表明所合成聚合物PI和PI-Ru具有較好的溶解性，為聚合物通過旋轉(zhuǎn)涂膜制備光活性層做好準(zhǔn)備。也間接的證明了在合成PI-Ru的過程中沒有生成互穿網(wǎng)絡(luò)的凝膠結(jié)構(gòu)。 熱分析結(jié)果表明所合成的PI和PI-Ru都具有較好的熱穩(wěn)定性。并且金屬配合物的引入降低了聚合物的熱分解溫度。這一點(diǎn)也證明了金屬配合物被引入到聚合物內(nèi)部。 紫外可見光譜分析表明金屬配合物的引入拓寬了PI的吸收光譜，使其吸收邊帶拓展到800 nm；這也證明了金屬配合物和聯(lián)吡啶螯合配體已經(jīng)發(fā)生配位，被成功的引入到聚酰亞胺結(jié)構(gòu)中。 通過四種光伏器件研究，表明通過陽極修飾的器件3有較好的光伏特性，開路電壓為0.36 V，光電轉(zhuǎn)換效率為3.89×10-3 %。

獲獎情況

在“河南工業(yè)大學(xué)第四屆挑戰(zhàn)杯課外學(xué)術(shù)作品大賽”中獲得了學(xué)校一等獎。

鑒定結(jié)果

有

參考文獻(xiàn)

[1] 何有軍,李永舫.聚合物太陽電池光伏材料,化工進(jìn)展,2009, 21,2303-2318. [2] W. K. Chan, Metal containing polymers with heterocyclic rigid main chains, Coordination Chemistry Reviews, 2007, 251,2104-2118. [3] K.M. Coakley and M.D. McGehee. “Conjugated polymer photovoltaic cells”, Chem. Mater.,16(23): 4533-4542 (2004). [4] D. Muhlbacher, C.J. Brabee, et al. “Sensitization of photoconductive polyimides for photovoltaicapplication”, Synth. Met., 121: 1609-1610 (2001). [5] 牛海軍，白續(xù)鐸，黃玉東，汪成. “含有ｐ－ｎ單元的苝聚酰亞胺的合成及其敏化電池的性能研究”，化學(xué)學(xué)報，15：1391-1396（2005）. [6] W.J. Li, H. Osora, L. Otero, et al. “ Photoelectrochemistry of a substituted-Ru(bpy)32+-labeledpolyimide and nanocrystalline SnO2 composite formulated as a thin-film electrode”, J. Phys.Chem. A, 102: 5333-5340 (1998). [7] H. Osora, W.J. Li, et al. “Photosensitization of nanocrystalline TiO2 thin films by a polyimidebearing pendent substituted-Ru(bpy)32+ groups”, J. Photochem. Photobio. B: Biol., 43: 232-238(1998).

同類課題研究水平概述

太陽能電池是一種能有效地吸收太陽輻射能，并利用光電轉(zhuǎn)換效應(yīng)將太陽能直接轉(zhuǎn)換為電能的裝置。聚合物太陽能電池(PSCs)材料與其它太陽能電池材料相比，有重量輕，生產(chǎn)工藝簡單，可以濕法成膜(旋轉(zhuǎn)涂膜、噴墨打印以及絲網(wǎng)印刷)的廉價大面積制造技術(shù)，以及可制成柔性、特種形狀器件等優(yōu)點(diǎn)。更重要的是，可通過分子設(shè)計來調(diào)控器件的性能，合成新型的半導(dǎo)體聚合物或有機(jī)分子。基于這些獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，PSCs 成為近年來最熱門的研究領(lǐng)域之一。 自上世紀(jì)九十年代年以來，眾多研究者從光伏材料的分子結(jié)構(gòu)、器件的構(gòu)造、光電轉(zhuǎn)換作用機(jī)理、光活性層的形態(tài)學(xué)等方面對聚合物太陽能電池做了大量的研究。2005年，Carroll D. L.等以 P3HT 和 PCBM 分別為給體和受體材料，通過在 P3HT 中形成控制的 PCBM 中間相制備聚合物太陽能電池，器件能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)到5.2%（AM1.5, 80 mW/cm2模擬太陽光）；Hegger A. J.等利用 P3HT 和 PCBM 制備的電池器件能量轉(zhuǎn)換效率接近5.0%（AM1.5, 100 mW/cm2模擬太陽光，下同）；Yang Y.等利用 P3HT 和PCBM 制備的電池器件能量轉(zhuǎn)換效率也達(dá)到了4.4%。上述結(jié)果是目前聚合物太陽能電池的最高光能轉(zhuǎn)換效率。在國內(nèi)，李永舫課題組基于支鏈為二噻吩乙烯的聚噻吩衍生物的聚合物太陽能電池的最高能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)到3.18%，比同樣實(shí)驗(yàn)條件下P3HT 的效率提高了 38%；另外，華南理工大學(xué)、中科院化學(xué)所和長春應(yīng)化所、浙江大學(xué)、清華大學(xué)等單位的其他研究者在聚合物太陽能電池領(lǐng)域也做了大量有特色的工作。 聚酰亞胺在太陽能電池方面的報道，主要通過在聚酰亞胺主鏈或側(cè)鏈中引入載流子傳輸基團(tuán)或染料，制備出具有光電活性的聚酰亞胺，在染料敏化太陽能電池中作為光敏化材料。但是，上述用聚酰亞胺光伏材料制備的器件能量轉(zhuǎn)換效率一般比較低，基本上都在0.001%～0.1%之間。
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