1、开题报告应用化学一种新型吡啶铱配合物的合成及光谱性质一、选题的背景与意义随着人类不断向前发展，煤、石油和天然气等矿物资源的开采和消耗也在不断加快，其利用过程中造成的环境问题和能源危机又开始引起全球的关注。这些不可再生能源新增储量正在不断减少，能源价格正在持续上涨，寻求清洁可再生的替代能源、实现经济和社会的可持续发展已成为人类面临的共同课题。太阳能是人类取之不尽、用之不竭的清洁可再生能源，据估计，地球每天接收的太阳能，相当于全球一年所消耗的总能量的200倍，故而清洁可再生能源太阳能成为各国科学家追求和研究的目标之一。有机太阳能电池在吸收太阳光后会产生束缚的空穴电子对“激子”，因此又称作为有机激子
2、太阳能电池。例如,染料敏化太阳能电池、有机小分子异质结电池、有机聚合物太阳能电池、有机无机杂化太阳能电池1。有机聚合物太阳能电池材料通常由正负电极及其具有光活性的薄层所组成光活性薄层是由给体和受体组成的体异质结结构。目前使用的受体材料主要有CDSE2、N型聚合物3和C60及其衍生物PCBM，以PCBM使用的最多该类异质结太阳能电池的结构见图1。由于光吸收主要是由给体材料承担，因此它的性质是决定聚合物太阳能电池性能的主要因素。给体材料一般具有较低的带隙EG和较低的HOMO能级，前者可以最大限度地吸收光子产生激子保证有较大的光电流，后者可以使激子分离后保持较大的电压。P3HT是被研究的最为彻底的给
3、体材料,经器件优化后其光能转化效率最大可达54,5。除P3HT外，其他一些具有较宽吸收光谱带的聚合物同样可以用作给体材料，如MDMOPPV、聚噻吩类似物等12,13。图1体异质结BHJ有机聚合物太阳能电池示意图4有机聚合物太阳能电池自CWTANG公布他们的工作后6，其以重量轻、可溶液成膜以及可弯曲的性质,得到了广泛的关注710，特别是近两年的发展速度非常快。虽然目前的光能转化效率尚在56，但是当其光能转化效率达到8以上时，即可体现出它的优势，实现大规模的工业化生产和使用。尽管目前其光电能量转换效率较低（目前实验室最高水平仅为813左右，由美国SOLARMER能源公司于2010年7月获得，而无机
4、太阳能电池的光电能量转换效率已经达到了358左右11），但与制备工艺复杂、成本高、重量大、易碎无机半导体为光活性材料的太阳能电池相比，聚合物太阳能电池具有独特的优势重量轻；可以采用溶液旋涂、喷墨打印等方法制作器件，制作工艺简便；容易得到大面积柔性器件，可以涂刷在各种建筑物或不规则物体的表面；成本仅为无机太阳能电池（如硅太阳能电池）的1020；聚合物太阳能电池材料的能带、电荷传输以及化学性质、物理性质容易通过化学结构进行设计和调控12。所以聚合光伏电池依然是已引起了国内外研究人员和企业的的重点研究对象1320，包括INTEL公司、IBM公司等都已涉足有机太阳能电池领域。但是目前含铱配合物基团的聚
5、合物用于聚合物太阳能电池的报道还不多，21，22故准备合成铱配合物基团与其他基团形成的嵌段共聚物，并将它们应用于聚合物太阳能电池中，探索该类材料化学结构、聚集态结构与光电性能之间的关系。通过以上论述可知，实现聚合物太阳能电池效率突破的希望在于寻求新型聚合物，即要获得一类对太阳光的吸收效率、激子的扩散效率及在给体受体界面处分离成载流子的效率、载流子的迁移率均较高的聚合物。本课题如能顺利进行，将获得一类同时含有苝酰亚胺类基团、铱配合物基团和三芳胺类基团的新型聚合物三重态太阳能电池材料，并将它们应用于聚合物太阳能电池中，探索该类材料化学结构、聚集态结构与光电性能之间的关系，为开发新型聚合物太阳能电池
6、材料与器件提供材料、方法、经验、数据、载体、思路以及坚实的理论基础，为实现聚合物太阳能电池效率的突破提供新途径。一、研究的基本内容与拟解决的主要问题研究的基本内容A）单体的合成与表征分别采用一系列配体与铱（IRCL33H2O）反应合成铱二聚体（配体如2苯基吡啶（PPY）、2对甲苯基吡啶PTPY和2（4溴苯基）吡啶）；其次，利用上述的铱二聚体与对二酮类化合物反应制备形成具有聚合活性的铱配合物单体；采用元素分析、FTIR光谱、1HNMR、13CNMR等对单体的化学结构进行表征。B）聚合物的合成与表征将苝酰亚胺单体、铱配合物单体、三苯胺类单体等三类单体按一定的比例共聚制成新型多功能嵌段共聚物。探索最
7、佳反应条件（聚合时间、温度、溶剂、浓度等），并采用元素分析、XRF光谱、FTIR光谱、1HNMR、13CNMR、凝胶渗透色谱、XPS、TG、DSC等方法对聚合物的组成、化学结构、常规性能进行表征。C）聚合物的光电性能测试研究采用不同的单体或不同的共聚单体配比得到的共聚物所处状态、浓度、溶剂等对其UVVIS吸收光谱、荧光光谱等光物理性质的影响；探讨它们的光致电荷转移作用等。在此基础上，对材料的光电性能相互比较和研究，揭示该类材料结构与光电性能之间的关系，找出它们之间内在的规律，同时还筛选出综合性能较为优异的聚合物太阳能电池材料。拟解决的主要问题本实验拟采用一系列配体与铱（IRCL33H2O）反应
8、合成铱二聚体（配体如2苯基吡啶（PPY）、2对甲苯基吡啶PTPY和2（4溴苯基）吡啶）；其次，利用上述的铱二聚体与对二酮类化合物反应制备形成具有聚合活性的铱配合物单体；再者，将苝酰亚胺单体、铱配合物单体、三苯胺类单体等三类单体按一定的比例共聚制成新型多功能嵌段共聚物。拟解决的主要问题一系列铱二聚体、铱配合物单体及新型多功能嵌段共聚物中的合成方法，及一系列实验条件的原料的选取、合成方法的探索、合成物质性能的测试。二、研究的方法与技术路线材料的合成A分别选用一系列环金属配体（CN）与三水合氯化铱反应，合成一系列铱配合物二聚体B将铱配合物二聚体与各种单体反应生成不同的铱配合物单体C合成铱配合物基团与
9、其他基团形成的嵌段共聚物，并将它们应用于聚合物太阳能电池中，探索该类材料化学结构、聚集态结构与光电性能之间的关系。材料的性能研究A聚合物的电化学性能、UVVIS吸收光谱、荧光光谱等光电性能的测试与表征。B聚合物经由三重态激子的光致电荷转移作用的研究。三、研究的总体安排与进度1201010，进行毕业设计（论文）的准备工作，制订“2010届毕业论文工作计划”。2201010，完成毕业设计（论文）选题工作，确立教师与学生的指导关系。3201011，发放毕业设计（论文）任务书、指导记录表、开题报告、评阅书、答辩记录、论文格式等材料。4201011201012，在12月18日前完成开题论证、开题报告，完
10、成文献综述和两篇外文的翻译并由指导老师进行指导、修改。520113312011414，中期检查（内容工作进度、工作态度、纪律情况、翻译文章的原文来源、过程记录卡等）。620114182011429，完成毕业设计（论文）初稿，交指导教师审稿、修改。4月22日前毕业设计（论文）定稿。720115122011519，准备并进行毕业设计论文答辩。五、主要参考文献1张剑锋,ZHOUHUAXING,YOUWEI有机太阳能电池的研究进展JJOURNALOFHEFEIUNIVERSITYNATURALSCIENCES,2009,19,42WANGP,ABRUSCIA,WONGP,ETALPHOTOINDUCE
11、DCHARGETRANSFERANDEFFICIENTSOLARENERGYCONVERSIONINABLENDOFAREDPOLYFLUORENECOPOLYMERWITHCDSENANOPARTICLESJNANOLETTERS,2006,68178917933KIETZKET,HRHOLDHH,NEHERDEFFICIENTPOLYMERSOLARCELLSBASEDONM3EHPPVJCHEMISTRYOFMATERIALS,2005,1726653265374AJMEULER,MAHILLMYER,FSBATESORDEREDNETWORKMESOSTRUCTURESINBLOCKP
12、OLYMERMATERIALSJMACROMOLECULES,2009,42,72215MAWL,YANGCY,GONGX,ETALTHERMALLYSTABLE,EFFICIENTPOLYMERSOLARCELLSWITHNANOSCALECONTROLOFTHEINTERPENETRATINGNETWORKMORPHOLOGYJADVANCEDFUNCTIONALMATERIALS,2005,1510161716226CWTANG,ROCHESTERTWOLAYERORGANICPHOTOVOLTAICCELLJAPPLIEDPHYSICSLETTERS,1986,4821831857YU
13、G,GAOJ,HUMMELENJC,ETALPOLYMERPHOTOVOLTAICCELLS2ENHANCEDEFFICIENCIESVIAANETWORKOFINTERNALDONORACCEPTORHETEROJUNCTIONSJSCIENCE,1995,270178917918LIG,SHROTRIYAV,HUANGJS,ETALHIGH2EFFICIENCYSOLUTIONPROCESSABLEPOLYMERPHOTOVOLTAICCELLSBYSELFORGANIZATIONOFPOLYMERBLENDSJNATUREMATERIALS,2005,4118648689KIMJY,LE
14、EK,COATESNE,ETALEFFICIENTTANDEMPOLYMERSOLARCELLSFABRICATEDBYALLSOLUTIONPROCESSINGJSCIENCE,2007,31722222510GUNESS,NEUGEBAUERH,SARICIFTCINSCONJUGATEDPOLYMER2BASEDORGANICSOLARCELLSJCHEMICALREVIEWS,2007,10741324133811OGRAYDONPHOTOVOLTAICSSOLARSUCCESSFORSHARPJNATUREPHOTON,2009,3,68412GLI,VSHORTRIYA,JHUAN
15、G,ETALHIGHEFFICIENCYSOLUTIONPROCESSABLEPOLYMERPHOTOVOLTAICCELLSBYSELFORGANIZATIONOFPOLYMERBLENDSJNATUREMATER,2005,4,86413JPEET,JYKIM,NECOATES,ETALEFFICIENCYENHANCEMENTINLOWBANDGAPPOLYMERSOLARCELLSBYPROCESSINGWITHALKANEDITHIOLSJNATUREMATER,2007,6,49714CMYANG,CHWU,HHLIAO,ETALENHANCEDPHOTOVOLTAICRESPON
16、SEOFORGANICSOLARCELLBYSINGLETTOTRIPLETEXCITONCONVERSIONJAPPLPHYSLETT,2007,90,13350915GLSCHULZ,SHOLDCROFTCONJUGATEDPOLYMERSBEARINGIRIDIUMCOMPLEXESFORTRIPLETPHOTOVOLTAICDEVICESJCHEMMATER,2008,20,535116WALUHMAN,RJHOLMESENHANCEDEXCITONDIFFUSIONINANORGANICPHOTOVOLTAICCELLBYENERGYTRANSFERUSINGAPHOSPHORESC
17、ENTSENSITIZERJAPPLPHYSLETT,2009,94,15330417XYANG,JLOOSTOWARDHIGHPERFORMANCEPOLYMERSOLARCELLSTHEIMPORTANCEOFMORPHOLOGYCONTROLJMACROMOLECULES,2007,40,135318GYU,JGAO,JCHUMMELEN,ETALPOLYMERPHOTOVOLTAICCELLSENHANCEDEFFICIENCIESVIAANETWORKOFINTERNALDONORACCEPTORHETEROJUNCTIONSJSCIENCE,1995,270,178919封伟,冯奕
18、钰有机光伏器件激活层的微结构有序性与电荷输运J化学进展,2006,18,18220QZHANG,ACIRPAN,TPRUSSELL,ETALDONORACCEPTORPOLYTHIOPHENEBLOCKPERYLENEDIIMIDECOPOLYMERSSYNTHESISANDSOLARCELLFABRICATIONJMACROMOLECULES,2009,42,1021GISELALSCHULZANDSTEVENHOLDCROFT，ETALCONJUGATEDPOLYMERSBEARINGIRIDIUMCOMPLEXESFORTRIPLETPHOTOVOLTAICDEVICESCHEMMATE
19、R2008,20,5351535522ALBERTUSJSANDEE,CHARLOTTEKWILLIAMS,ETALSOLUTIONPROCESSIBLECONJUGATEDELECTROPHOSPHORESCENTPOLYMERSJAMCHEMSOC2004,126,7041704823DSCHUNG,JWPARK,JHPARK,ETALHIGHMOBILITYORGANICSINGLECRYSTALTRANSISTORSBASEDONSOLUBLETRIISOPROPYLSILYLETHYNYLANTHRACENEDERIVATIVESJJMATERCHEM,2010,20,52424AS
20、HARMA,AHALDI,WJPOTSCAVAGEJR,ETALEFFECTSOFSURFACEMODIFICATIONOFINDIUMTINOXIDEELECTRODESONTHEPERFORMANCEOFMOLECULARMULTILAYERORGANICPHOTOVOLTAICDEVICESJJMATERCHEM,2009,19,529824CYJIANG,XWSUN,DWZHAO,ETALLOWWORKFUNCTIONMETALMODIFIEDITOASCATHODEFORINVERTEDPOLYMERSOLARCELLSSOLENERGYMATERSOLCELLS,2010,94,1618
