[发明专利]官能化的纳米结构和相关装置

说明书

相关申请

本申请根据35U.S.C.§119(e)要求2012年10月17日提交的第61/715,026号共同未决的美国临时申请的优先权，该申请的内容通过全文引用的方式并入本文用于所有目的。

关于联邦政府资助的研究或开发的声明

本发明是在由美国国家地理空间情报局授予的批准号HM1582-09-1-0025下在政府支持下进行的。政府在本发明中具有一定权利。

技术领域

提供了包括纳米结构的组合物和装置、以及相关方法，所述纳米结构包括含有环丁基的物类和/或含有环丁烯基的物类。

背景技术

在有机光伏电池的开发中，由共轭聚合物给体和小分子或大分子受体构成的体异质结(BHJ)聚合物太阳能电池(PSC)已引起了人们的兴趣。在BHJ中相的双连续性产生了大的表面与体积比，用于高效的激子离解，并且简便和低成本的制造也是有吸引力的。尽管经广泛努力以改进BHJ体系的形态和构成材料的性质，但是与硅基太阳能电池相比，较低的功率转换效率(PCE)仍是一个挑战。研究者已开发了低带隙的聚合物，其吸收高比率的太阳光谱并且组装成期望的膜形态。改进n型受体组分的努力包括具有小分子例如9，9′-联亚芴、苝酰亚胺和双腈乙烯咪唑(vinazenes)的BHJ。尽管如此，富勒烯被广泛使用，部分原因是其在电子转移反应中的高电子亲和力和低重组能。已调查了利用有机金属试剂、自由基和过渡金属络合的反应，以产生用于BHJ的新的富勒烯。富勒烯的反应性类似于缺电子的聚烯烃的反应性，因此，主要的官能化方法是用环加成反应来改变富勒烯结构。值得注意的实例包括经1，3-偶极环加成来合成PCBM([6，6]-苯基-C₆₁-丁酸甲酯)和由狄尔斯-阿尔德(Diels-Alder)反应来合成茚-C₆₀加合物。然而，使富勒烯反应通常需要过量的试剂、长反应时间和高温。

BHJ处非最佳的能带偏移可以引起太阳能电池的能量损失和低的开路电压。为了解决此问题并且提高功率转换效率，已努力增加HOMO_D-LUMO_A(A：受体，D：给体)间隙，该间隙与开路电压成比例。通过具有含交替的富电子单元和贫电子单元的重复结构已经设计了很多聚合物给体用于太阳光谱的优化吸收。然而，在这些体系中降低HOMO能级通常因以下事实而复杂化：富电子重复单元的简单改性可以产生扩大的带隙，其降低了太阳能吸收效率，因此给出较小的短路电流密度(J_SC)。另一个方法是提高富勒烯的LUMO能级，该策略为提高的V_OC提供了预测性更好的途径。包括环加成反应在内的大多数官能化方法，破坏了C₆₀π-体系的完全共轭并且通常降低了电子亲和力以及提高了LUMO能级。经降低的C₆₀的相对电子亲和力通过起始还原电势或计算的LUMO能级的变化来测量。例如，已显示茚-C₆₀表现出相对于C₆₀减小了约100至200mV的电子亲和力(更高的LUMO)。

发明内容

提供了各种组合物、装置和方法。在一些实施方案中，提供了包括组合物的装置，该组合物包括含有至少一个环丁基和/或至少一个环丁烯基的碳纳米结构，所述环丁基和环丁烯基中的任何一个是任选地被取代的；并且该装置包括至少一个与该组合物电化学连通的电极。在一些实施方案中，该装置是电池。在一些实施方案中，该装置是晶体管。在一些实施方案中，该装置是催化剂体系。在一些实施方案中，该装置是太阳能电池。在一些实施方案中，该装置是化学传感器或生物传感器。

在一些实施方案中，提供光伏装置，其包括电子给体材料；和与电子给体材料接触的电子受体材料，所述电子受体材料包括含有环丁基的基团和/或含有环丁烯基的基团。在一些情况下，电子受体材料包括碳纳米结构，该碳纳米结构包括含有环丁基的基团和/或含有环丁烯基的基团。在一些实施方案中，电子给体材料包含导电聚合物。在一些实施方案中，该导电聚合物是聚(噻吩)。在一些实施方案中，电子受体材料和电子给体材料互相接触以形成体异质结。

在一些实施方案中，相对于基本上相同但缺少含有环丁基的物类和/或含有环丁烯基的物类的光伏装置，该光伏装置在基本上相同的条件下表现出更高的开路电势。在一些实施方案中，相对于基本上相同但缺少含有环丁基的物类和/或含有环丁烯基的物类的光伏装置，该光伏装置在基本上相同的条件下表现出更高的效率。在一些实施方案中，该光伏装置是太阳能电池。