[發明專利]官能化的納米結構和相關裝置

無效

• 申請號: 201380060924.4
• 申請日: 2013-03-05
• 公開（公告）號: CN104822624A
• 公開（公告）日: 2015-08-05
• 發明（設計）人: 蒂莫西·M·斯韋格;弗拉迪米爾·布洛維奇;戈奇·代烏爾·韓;特里沙·L·安德魯
• 申請（專利權）人: 麻省理工學院
• 主分類號: C01B21/06
• 分類號: C01B21/06
• 代理公司: 北京集佳知識產權代理有限公司 11227
• 代理人: 蔡勝有;冷永華

相關申請

本申請根據35U.S.C.§119(e)要求2012年10月17日提交的第61/715,026號共同未決的美國臨時申請的優先權，該申請的內容通過全文引用的方式并入本文用于所有目的。

關于聯邦政府資助的研究或開發的聲明

本發明是在由美國國家地理空間情報局授予的批準號HM1582-09-1-0025下在政府支持下進行的。政府在本發明中具有一定權利。

技術領域

提供了包括納米結構的組合物和裝置、以及相關方法，所述納米結構包括含有環丁基的物類和/或含有環丁烯基的物類。

背景技術

在有機光伏電池的開發中，由共軛聚合物給體和小分子或大分子受體構成的體異質結(BHJ)聚合物太陽能電池(PSC)已引起了人們的興趣。在BHJ中相的雙連續性產生了大的表面與體積比，用于高效的激子離解，并且簡便和低成本的制造也是有吸引力的。盡管經廣泛努力以改進BHJ體系的形態和構成材料的性質，但是與硅基太陽能電池相比，較低的功率轉換效率(PCE)仍是一個挑戰。研究者已開發了低帶隙的聚合物，其吸收高比率的太陽光譜并且組裝成期望的膜形態。改進n型受體組分的努力包括具有小分子例如9，9′-聯亞芴、苝酰亞胺和雙腈乙烯咪唑(vinazenes)的BHJ。盡管如此，富勒烯被廣泛使用，部分原因是其在電子轉移反應中的高電子親和力和低重組能。已調查了利用有機金屬試劑、自由基和過渡金屬絡合的反應，以產生用于BHJ的新的富勒烯。富勒烯的反應性類似于缺電子的聚烯烴的反應性，因此，主要的官能化方法是用環加成反應來改變富勒烯結構。值得注意的實例包括經1，3-偶極環加成來合成PCBM([6，6]-苯基-C₆₁-丁酸甲酯)和由狄爾斯-阿爾德(Diels-Alder)反應來合成茚-C₆₀加合物。然而，使富勒烯反應通常需要過量的試劑、長反應時間和高溫。

BHJ處非最佳的能帶偏移可以引起太陽能電池的能量損失和低的開路電壓。為了解決此問題并且提高功率轉換效率，已努力增加HOMO_D-LUMO_A(A：受體，D：給體)間隙，該間隙與開路電壓成比例。通過具有含交替的富電子單元和貧電子單元的重復結構已經設計了很多聚合物給體用于太陽光譜的優化吸收。然而，在這些體系中降低HOMO能級通常因以下事實而復雜化：富電子重復單元的簡單改性可以產生擴大的帶隙，其降低了太陽能吸收效率，因此給出較小的短路電流密度(J_SC)。另一個方法是提高富勒烯的LUMO能級，該策略為提高的V_OC提供了預測性更好的途徑。包括環加成反應在內的大多數官能化方法，破壞了C₆₀π-體系的完全共軛并且通常降低了電子親和力以及提高了LUMO能級。經降低的C₆₀的相對電子親和力通過起始還原電勢或計算的LUMO能級的變化來測量。例如，已顯示茚-C₆₀表現出相對于C₆₀減小了約100至200mV的電子親和力(更高的LUMO)。

發明內容

提供了各種組合物、裝置和方法。在一些實施方案中，提供了包括組合物的裝置，該組合物包括含有至少一個環丁基和/或至少一個環丁烯基的碳納米結構，所述環丁基和環丁烯基中的任何一個是任選地被取代的；并且該裝置包括至少一個與該組合物電化學連通的電極。在一些實施方案中，該裝置是電池。在一些實施方案中，該裝置是晶體管。在一些實施方案中，該裝置是催化劑體系。在一些實施方案中，該裝置是太陽能電池。在一些實施方案中，該裝置是化學傳感器或生物傳感器。

在一些實施方案中，提供光伏裝置，其包括電子給體材料；和與電子給體材料接觸的電子受體材料，所述電子受體材料包括含有環丁基的基團和/或含有環丁烯基的基團。在一些情況下，電子受體材料包括碳納米結構，該碳納米結構包括含有環丁基的基團和/或含有環丁烯基的基團。在一些實施方案中，電子給體材料包含導電聚合物。在一些實施方案中，該導電聚合物是聚(噻吩)。在一些實施方案中，電子受體材料和電子給體材料互相接觸以形成體異質結。

在一些實施方案中，相對于基本上相同但缺少含有環丁基的物類和/或含有環丁烯基的物類的光伏裝置，該光伏裝置在基本上相同的條件下表現出更高的開路電勢。在一些實施方案中，相對于基本上相同但缺少含有環丁基的物類和/或含有環丁烯基的物類的光伏裝置，該光伏裝置在基本上相同的條件下表現出更高的效率。在一些實施方案中，該光伏裝置是太陽能電池。