类石墨烯量子点的制备及其作为电子受体光伏材料的应用-材料学专业论文.docxVIP

目 录 第一章 绪论1 1.1 引言 1 1.2 富勒烯 2 1.2.1 富勒烯的结构性质 2 1.2.2 富勒烯衍生物受体光伏材料 3 1.3 石墨烯 5 1.4 石墨烯量子点 5 1.4.1 石墨烯量子点的制备 6 1.4.2 石墨烯量子点的应用 13 1.5 论文的立题依据、主要研究内容及意义 16 第二章 类石墨烯量子点的制备及性能研究18 2.1 引言 18 2.2 实验部分 18 2.2.1 实验试剂 18 2.2.2 实验仪器 19 2.2.3 实验过程及分析 20 2.2.4 各步的产率分析 22 2.2.5 溶剂极性的影响 23 2.2.6 表征与测试 24 2.3 结果与讨论 25 2.3.1 微观形貌分析 25 FT-IR 光谱分析 27 XPS 谱图分析 28 Raman 光谱分析 29 XRD 谱图分析 30 UV-vis 吸收光谱分析 31 PL 及 PLE 光谱分析 32 TR-PL 光谱分析 33 2.4 PL 机理分析 34 2.5 本章小结 36 第三章 类石墨烯量子点受体光伏材料的研究37 3.1 引言 37 3.2 实验部分 37 3.2.1 实验试剂 37 3.2.2 实验仪器 38 3.2.3 器件的制备 39 3.2.4 表征与测试 39 3.3 实验结果与讨论 40 3.3.1 Ana-GQD 光致电子迁移的研究 40 Ana-GQDs 的能级测算 41 Ana-GQD/P3HT 溶液的 UV-vis 光谱分析 42 基于 Ana-GQDs/P3HT 的光探测器 43 3.3.5 前景展望 45 3.4 本章小结 46 第四章 全文总结47 参考文献48 发表论文和参加科研情况说明57 致 谢58 第一章 第一章 绪论 PAGE PAGE 10 第一章 绪论 引言 随着人类持续多年对化石能源燃料的大规模开采及应用，一系列关于能源与 环境的问题已日渐突显；近年来，我们越来越多的聚焦于产业结构的升级，逐步 转变过去对传统能源高度依赖的经济增长方式，寻求科技导向型的经济发展。因 此，我们理应潜心探索，寻找新型的清洁可再生能源以解决所面临的种种危机。 在包括太阳能、风能、氢能、煤炭汽化能等在内的众多可再生能源中，将太 阳能转化为电能的光伏产业无疑是未来最有希望的能源技术之一[1]。1954 年， 美国贝尔实验室开发出了硅太阳能电池，揭开了利用光能并将之转换为电能的太 阳能技术的序幕[2]。经过长期发展，目前占主流地位的单晶硅、多晶硅等无机太 阳能电池，已经具有了很高的能量转换效率（power conversion efficiency, PCE） [3,4]，但它们是建立在对硅材料的大量需求的基础上的，其高能耗的生产工艺及 不菲的价格成为限制其大规模应用的两个主要的制约因素。近年来有机半导体材 料的高速发展[5-7]，使得广泛且低成本的利用太阳能实现光电转换成为可能。与 传统无机太阳能电池相比，有机太阳能电池有着很大潜力：其具有质量轻、柔性 好、生产成本低和易于实现大面积加工等独特优势[8-10]，几乎每天都有新的研究 成果被报道出来，人们不遗余力的将有机太阳电池的 PCE 突破到一个又一个新 的高度。 在有机光伏领域，使用共轭聚合物作为电子给体，富勒烯（C60）及其衍生 物 作 为 电 子 受 体 的 聚 合 物 / 富 勒 烯 太 阳 能 电 池 （ polymer/fullerene solar cells, PFSCs）是最为热点的研究方向[8]。然而，作为聚合物太阳电池中最广泛使用的 受体光伏材料的 C60，是一种具有独特笼形结构的三维芳香化合物，其制备过程 比较复杂。而且，自 C60 能够大量制备以来，为增强其实用性而对其进行各种手 段的化学修饰一直是一项不可或缺的关键课题[11]。因此，开发利用新型受体光伏 材料很有可能为有机光伏领域的发展提供新的思路。 本文成功制备出了基于 sp2 杂化碳原子主导的高结晶结构的荧光碳纳米颗粒 材料，鉴于其层内同一平面上碳原子的联结方式同石墨烯十分相似，即每个 C 原子通过 sp2 杂化与周围 C 原子成键，存在 π 轨道，本文将其命名为类石墨烯量 子点（Analogous graphene quantum dots, Ana-GQDs）。此结构使其具有较好的电 子传输性能，本文将 Ana-GQDs 作为电子受体材料制备出了性能较好的光探测 器，展现了 Ana-GQDs 作为电子受