具有共軛結構之新型富勒烯衍生物之合成及其與共軛高分子摻混物之光電特性

Abstract

富勒希衍生物常被應用為高分子太陽能電池元件中的良好電子受體。我們成功的合成一系列具有thiophene共軛分子，並在thiophene之α位醛化後利用Prato reaction加成於碳六十衍生物，分別為2,2':5',2'-terthiophene-fulleropyrrolidine (TTC60)、4,7-di(thiophen-2-yl)-2,1,3-benzothiadiazole-fullerpyrrolidine (DTBTZC6 0)、5,8-di(thiophen-2-yl)quinoxaline-fulleropyrrolidine (DTQC60)、 和5,7-di (thiophen-2-yl)thieno[3,4-b]pyrazine-fulleropyrrolidine (DTPC60)。我們利用1H NMR、13C NMR、 MALDI-MS、和EA鑑定其結構。藉由UV-Vis吸收光譜的測量，訂定吸收波長起始點(λonset)，求得其光學能隙(Egopt)，大約為1.70電子伏特。與未具有共軛基團加成之碳六十衍生物比較下，共軛基團確實有效的提升碳六十位於350 nm以下的吸收度並將吸收範圍延伸至600 nm。此外我們利用循環伏特安培法分析其還原行為，非常有趣的，碳六十之最低未佔據電子能階(LUMO)，隨著不同共軛基團的加成而有所變動，約為-3.7±0.1電子伏特，此合成系統提供了一個調控碳六十分子電子能階的方法。當共軛基團加成後其還原行為也隨之改變，顯然這樣的合成系統中，共軛基團與碳六十間會互相影響，而改變其電化學性質。令我們驚奇的，我們觀察到DTPC60不自然的光電性質，並藉由EPR、NMR、UV-Vis等光譜及模擬計算分析出其機制與結果：當它照光激發，產生電子轉移後，形成亞穩定(meta stable)之DTP+C60-自由基之狀態。最後我們將合成之新型碳六十衍生物與低regioregularity之P3HT，以chlorobenzene為溶劑製備成薄膜。除了TTC60，階在520、550 nm有兩吸收峰，且於610 nm有一高原的吸收，其吸收行為有如溶劑退火(solvent annealing)一樣。若改以沸點較高的溶劑，如o-dichlorobenzene其位於520、550、610 nm吸收峰更加明顯。可見得薄膜乾燥時間與碳六十衍生物的確影響P3HT之排列。由PL光譜，P3HT與碳六十衍生物之間發生光激發電子轉移的現象，確實具有電子受體的特性。