基本信息
- 项目名称：
- 含金属配合物染料的聚酰亚胺光伏材料制备
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 本文通过分子设计首先合成了二胺单体，然后通过二胺与二酐缩聚制得含有螯合配体和电荷传输基团的三元聚酰亚胺；最后使其与小分子金属配合物反应，制得含金属配合物染料和电荷传输基团的聚酰亚胺（PI-Ru）。分别通过1HNMR、红外光谱、溶解性、热分析及紫外可见光谱，对其结构和性能进行了表征。明确了其结构，并证明其具有较好的溶解性、热稳定性、较宽的光谱吸收且吸收边带拓宽至800 nm。
- 详细介绍：
- 在当前能源供需矛盾日益突出的形势下，太阳能的开发与利用引起了人类极大的重视，而基于光伏效应的太阳能电池是开发利用太阳能的最有效方法之一。合成热稳定性和光化学稳定性较高、在可见光区有较强吸收、具有较大电荷迁移率的新型聚合物光伏材料，对聚合物太阳能电池的发展具有重大的意义。 通过分子设计合成了新单体M1、含空穴传输基团和螯合配体的聚酰亚胺（PI）、含金属配合物染料和空穴传输基团的聚酰亚胺（PI-Ru）。 对其进行了1HNMR、红外光谱表征，明确了单体和聚合物的结构。 溶解性表征结果表明所合成聚合物PI和PI-Ru具有较好的溶解性，为聚合物通过旋转涂膜制备光活性层做好准备。也间接的证明了在合成PI-Ru的过程中没有生成互穿网络的凝胶结构。 热分析结果表明所合成的PI和PI-Ru都具有较好的热稳定性。并且金属配合物的引入降低了聚合物的热分解温度。这一点也证明了金属配合物被引入到聚合物内部。 紫外可见光谱分析表明金属配合物的引入拓宽了PI的吸收光谱，使其吸收边带拓展到800 nm；这也证明了金属配合物和联吡啶螯合配体已经发生配位，被成功的引入到聚酰亚胺结构中。 通过四种光伏器件研究，表明通过阳极修饰的器件3有较好的光伏特性，开路电压为0.36 V，光电转换效率为3.89×10-3 %。
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作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 目的：通过分子设计合成含金属配合物的聚酰亚胺光伏材料 思路: 通过利用螯合配体联吡啶二胺、空穴传输二胺和6FDA二酐，以及金属配合物合成了含金属配合物的聚酰亚胺光伏材料，并对其溶解性、光物理性能进行分析，制备出光伏器件，测试研究了其光伏特性。
科学性、先进性及独特之处
- 通过分子设计将金属配合物染料引入聚酰亚胺的主链，合成了含金属配合物和空穴传输基团、对可见光有较强吸收能力、热稳定性较好的可溶性聚酰亚胺光伏材料，并对其光伏性能进行了研究，证明了其具有较高的学术价值和应用前景。
应用价值和现实意义
- 在当前能源供需矛盾日益突出的形势下，太阳能的开发与利用引起了人类极大的重视，而基于光伏效应的太阳能电池是开发利用太阳能的最有效方法之一。合成热稳定性和光化学稳定性较高、在可见光区有较强吸收、具有较大电荷迁移率的新型聚合物光伏材料，对聚合物太阳能电池的发展具有重大的意义。
学术论文摘要
- 通过分子设计合成了新单体M1、含空穴传输基团和螯合配体的聚酰亚胺（PI）、含金属配合物染料和空穴传输基团的聚酰亚胺（PI-Ru）。 对其进行了1HNMR、红外光谱表征，明确了单体和聚合物的结构。 溶解性表征结果表明所合成聚合物PI和PI-Ru具有较好的溶解性，为聚合物通过旋转涂膜制备光活性层做好准备。也间接的证明了在合成PI-Ru的过程中没有生成互穿网络的凝胶结构。 热分析结果表明所合成的PI和PI-Ru都具有较好的热稳定性。并且金属配合物的引入降低了聚合物的热分解温度。这一点也证明了金属配合物被引入到聚合物内部。 紫外可见光谱分析表明金属配合物的引入拓宽了PI的吸收光谱，使其吸收边带拓展到800 nm；这也证明了金属配合物和联吡啶螯合配体已经发生配位，被成功的引入到聚酰亚胺结构中。 通过四种光伏器件研究，表明通过阳极修饰的器件3有较好的光伏特性，开路电压为0.36 V，光电转换效率为3.89×10-3 %。
获奖情况
- 在“河南工业大学第四届挑战杯课外学术作品大赛”中获得了学校一等奖。
鉴定结果
- 有
参考文献
- [1] 何有军,李永舫.聚合物太阳电池光伏材料,化工进展,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] 牛海军，白续铎，黄玉东，汪成. “含有ｐ－ｎ单元的苝聚酰亚胺的合成及其敏化电池的性能研究”，化学学报，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).
同类课题研究水平概述
- 太阳能电池是一种能有效地吸收太阳辐射能，并利用光电转换效应将太阳能直接转换为电能的装置。聚合物太阳能电池(PSCs)材料与其它太阳能电池材料相比，有重量轻，生产工艺简单，可以湿法成膜(旋转涂膜、喷墨打印以及丝网印刷)的廉价大面积制造技术，以及可制成柔性、特种形状器件等优点。更重要的是，可通过分子设计来调控器件的性能，合成新型的半导体聚合物或有机分子。基于这些独特的优点，PSCs 成为近年来最热门的研究领域之一。 自上世纪九十年代年以来，众多研究者从光伏材料的分子结构、器件的构造、光电转换作用机理、光活性层的形态学等方面对聚合物太阳能电池做了大量的研究。2005年，Carroll D. L.等以 P3HT 和 PCBM 分别为给体和受体材料，通过在 P3HT 中形成控制的 PCBM 中间相制备聚合物太阳能电池，器件能量转换效率达到5.2%（AM1.5, 80 mW/cm2模拟太阳光）；Hegger A. J.等利用 P3HT 和 PCBM 制备的电池器件能量转换效率接近5.0%（AM1.5, 100 mW/cm2模拟太阳光，下同）；Yang Y.等利用 P3HT 和PCBM 制备的电池器件能量转换效率也达到了4.4%。上述结果是目前聚合物太阳能电池的最高光能转换效率。在国内，李永舫课题组基于支链为二噻吩乙烯的聚噻吩衍生物的聚合物太阳能电池的最高能量转换效率达到3.18%，比同样实验条件下P3HT 的效率提高了 38%；另外，华南理工大学、中科院化学所和长春应化所、浙江大学、清华大学等单位的其他研究者在聚合物太阳能电池领域也做了大量有特色的工作。 聚酰亚胺在太阳能电池方面的报道，主要通过在聚酰亚胺主链或侧链中引入载流子传输基团或染料，制备出具有光电活性的聚酰亚胺，在染料敏化太阳能电池中作为光敏化材料。但是，上述用聚酰亚胺光伏材料制备的器件能量转换效率一般比较低，基本上都在0.001%～0.1%之间。
