聚苯胺/碳纳米管复合薄膜的制备与电学性能研究

论文摘要

太阳能光伏发电是可再生能源中发展最快、最具活力的研究领域之一,它的开发和应用受到了世界各国的普遍重视。目前应用的太阳能电池大都以硅材料或无机化合物为基础,它们工艺复杂、生产成本高,这在一定程度上限制了它们大规模的推广应用。为了改善太阳能电池的性能、降低制造成本、减少大规模生产对环境造成的影响,科学家探索了许多新材料、新结构的太阳能电池。聚合物太阳能电池具有生产工艺简单、原料价格低廉、柔性及可制备大面积器件等优点,得到了研究人员的广泛关注,目前它的转换效率还很低。在众多因素中,光生电荷的传输是影响聚合物太阳能电池性能的重要因素之一。碳纳米管具有极高的电荷传输能力,被广泛用于光电子器件如场效应晶体管、有机光伏电池的制备等。聚苯胺具有良好的导电性,在紫外可见及近红外光谱区具有优良的光吸收性,是聚合物太阳能电池新的研究热点。本文利用聚苯胺作为电子给体材料（D）,碳纳米管作为电子受体材料（A）制成复合薄膜,通过控制反应条件使复合体系在微观上形成互穿网络结构,增大给体/受体（D/A）的界面面积,期望提高复合体的电传输性能。本文的研究内容如下：1.用浓硫酸和浓硝酸（体积比为3：1）的混合液纯化了碳纳米管,并对纯化前后的碳纳米管进行了表征与分析。扫描电子显微镜（SEM）、拉曼光谱（Raman）、X射线衍射（xrd）、能谱图研究表明经酸处理的碳纳米管纯度得到了提高,傅里叶红外光谱分析表明碳纳米管的管壁上接枝了羟基、羧基官能团。2.对超声前后的碳纳米管进行了分散性观察,发现超生处理后的碳纳米管在有机溶剂二甲基甲酰胺（DMF）中形成了良好的分散。采用共混法和原位聚合法,通过改变碳纳米管含量,制备出了碳纳米管质量分数不同的复合材料。3.将共混法和原位聚合法制备的复合材料分别分散于有机溶剂二甲基甲酰胺中,采用简单易行的浸渍提拉法使其在玻璃基底上成膜,在50℃下烘干。使用扫描电子显微镜（SEM）对复合薄膜的表面及断面形貌进行了观察,发现原位聚合法制备的复合薄膜中碳纳米管分散均匀,共混法中碳纳米管大多仍团聚成束,复合薄膜厚度为1μm左右,利用紫外可见光分光光度计（UV-vis）对原位聚合法制备的薄膜光吸收性进行了表征与分析。4.利用四探针电阻仪、光电导测试仪对复合薄膜的光电特性进行了测试分析,探讨了碳纳米管含量、超声波处理时间、制备方法、热退火对复合薄膜电导率的影响。结果显示随着碳纳米管含量的增加复合薄膜的电导率从1.6×10-2s/cm增加到了120×10-2s/cm；光照下,碳纳米管和聚苯胺之间存在强的相互作用,碳纳米管上的离域电子与聚苯胺主链上的π电子之间形成π-π共轭,增加了主链的有效共轭长度,使复合薄膜的电导率得到提高。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 太阳能电池简介
• 1.2.1 太阳能电池的发展
• 1.2.3 太阳能电池的分类
• 1.2.4 聚合物太阳电池
• 1.3 碳纳米管概述
• 1.3.1 多壁碳纳米管与单壁碳纳米管区别
• 1.3.2 碳纳米管的性质
• 1.4 聚苯胺概述
• 1.4.1 聚苯胺的分子结构
• 1.4.2 聚苯胺的掺杂和导电机理
• 1.4.3 化学氧化聚合法合成聚苯胺
• 1.4.4 聚苯胺的性能
• 1.5 本论文研究目的与意义
• 2 碳纳米管的纯化与表征
• 2.1 引言
• 2.2 碳纳米管的纯化方法
• 2.2.1 气相氧化法
• 2.2.2 液相氧化法
• 2.2.3 离心过滤法
• 2.2.4 电化学氧化法
• 2.3 实验过程
• 2.3.1 实验原料与仪器
• 2.3.2 实验过程
• 2.4 纯化前后的碳纳米管表征与分析
• 2.4.1 碳纳米管表面形貌（SEM）及能谱
• 2.4.2 碳纳米管X射线衍射（XRD）
• 2.4.3 碳纳米管拉曼光谱（Raman）
• 2.4.4 碳纳米管傅里叶红外光谱表征（FT-IR）
• 2.5 本章小结
• 3 聚苯胺/碳纳米管复合薄膜的制备与表征
• 3.1 引言
• 3.2 复合材料的制备方法
• 3.2.1 碳纳米管的分散性观察
• 3.2.2 复合材料的制备方法
• 3.3 聚苯胺/碳纳米管复合薄膜的制备与表征
• 3.3.1 实验原料与设备
• 3.3.2 实验过程
• 3.3.3 复合薄膜的表面及断面形貌（SEM）
• 3.3.4 复合薄膜的拉曼光谱分析（Raman）
• 3.3.5 复合薄膜的紫外可见光谱分析（UV-vis）
• 3.4 本章小结
• 4 聚苯胺/碳纳米管复合薄膜的光电性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 聚苯胺/碳纳米管复合薄膜的电学性能
• 4.2.1 复合材料导电机理
• 4.2.2 碳纳米管含量对复合薄膜电导率的影响
• 4.2.3 超声时间对复合薄膜电导率的影响
• 4.2.4 制备方法对复合薄膜电导率的影响
• 4.2.5 热退火对复合薄膜形貌及电导率的影响
• 4.3 光照下复合薄膜电导率的变化
• 4.3.1 聚合物的光电导
• 4.3.2 光照下复合薄膜电导率的变化
• 4.4 有机半导体中的界面作用
• 4.5 本章小结
• 5 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文