Download
1 / 26
280 likes | 754 Views
高分子材料系 專題研究發表. 聚噻吩共軛高分子 P3HT 在甲苯溶液中相分離 行為變化分析. 專題生：吳冠翰 指導教授：陳建宏 教授. 前言. P3HT 為有機高分子太陽能電池的主要材料，本專題目的為探討 P3HT 在甲苯溶液中的相分離及聚集行為以了解在製備成有機高分子太陽能電池過程中的結構對光電效應的影響. 探討動力學及聚集機理. ( 一 ) 深入的了解 P3HT 共軛高分子在甲苯溶液中 的相變化 ( 二 ) P3HT 共軛高分子在甲苯溶液中之凝膠化機 理 ( 三 ) P3HT 共軛高分子在甲苯 溶液凝 膠結構中 對光物理行為的影響. 實驗藥品.
E N D
高分子材料系專題研究發表 聚噻吩共軛高分子P3HT 在甲苯溶液中相分離 行為變化分析 專題生：吳冠翰 指導教授：陳建宏 教授
前言 P3HT為有機高分子太陽能電池的主要材料，本專題目的為探討P3HT在甲苯溶液中的相分離及聚集行為以了解在製備成有機高分子太陽能電池過程中的結構對光電效應的影響
探討動力學及聚集機理 (一) 深入的了解P3HT共軛高分子在甲苯溶液中的相變化 (二) P3HT共軛高分子在甲苯溶液中之凝膠化機理 (三) P3HT共軛高分子在甲苯溶液凝膠結構中對光物理行為的影響
實驗藥品 Poly(3-hexylthiophene) 聚噻吩共軛高分子之化學結構 P3HT 是一重要的導電性高分子，這是因為它有良好的溶解性、加工性及環境安定性且具有優越的電導性及電致發光性。
P3HT/toluene相轉變分析 上圖為0.05、0.1、0.2、0.3、0.5、1.0、1.5、2.0和3.0 wt%的P3HT/toluene高分子溶液，加熱至80 OC後之新鮮溶液形態 下圖為P3HT/toluene高分子溶液，在室溫三周後之溶液形態，經過倒置後0.5及0.7wt%形成膠體，1.0、1.5、2.0及3.0wt%形成凝膠
,wt% P3HT/toluene升溫變色分析 升溫速率為1℃/min的條件進行觀察溫度效應對P3HT/toluene老化溶液或凝膠誘導之光變色性行為的變化
結構對光吸收及光激發光的能階變化影響 S1 (Excited state) S0 (Ground state) Higher emission energy (0-0 band) → Single chain or intrachain emission Lower emission energy (0-1, 0-2 band) → Aggregated state of polymer chain
升溫光激發光圖 PL 為低濃度0.2 wt%及高濃度2.0 wt%在不同溫度下P3HT/toluene溶液的光激發光譜圖，升溫速度為5.0oCmin-1
升溫紫外線可見光譜吸收圖 UV-vis 為P3HT/toluene高分子溶液低濃度0.3wt%及高濃度 2.0wt%。溶液隨不同溫度條件下升溫過程的UV-vis吸收光譜圖
P3HT/toluene老化時間變色分析 降溫速率為1℃/min的條件進行觀察降溫效應對P3HT/toluene溶液之光變色性行為的變化
老化時間光激發光圖 PL 為P3HT/toluene高分子溶液低濃度0.2 wt%及高濃度2.0 wt%溶液隨老化時間條件下的PL光激發光譜圖
老化時間紫外線可見光譜吸收圖 UV-vis 為P3HT/toluene高分子溶液低濃度0.3wt%及高濃度2.0wt%。溶液隨老化時間條件下降溫過程的UV-vis吸收光譜圖
1.39 2.03 Avrami equation 溶液中結晶結構的成長機制可利用Avrami equation 推算不同濃度隨老化時間之P3HT/toluene溶液UV-vis光譜之610nm 0-2吸收峰強度隨老化時間的變化。 Avrami equation n=是Avrami指數它與成核的機理和生長方式 n=2，2D 片狀晶體 n=1，1D 針狀晶體
原子力顯微鏡圖 AFM 1.6 wt% P3HT 之原子力顯微鏡圖
老化時間DLS光散射圖 剛配置完80OC 之後以25 O C檢測 剛配置完80OC 之後靜置5小時後檢測
偏光顯微鏡圖 POM 為放置兩周後長時間之0.3 wt% P3HT/Toluene 稀薄共軛高分子溶液的OM圖及POM觀測照片 為放置兩周後長時間之2.0 wt% P3HT/Toluene 半稀薄共軛高分子溶液的OM圖及POM觀測照片
偏光顯微鏡圖 POM 為1.0 wt%之P3HT/Toluene 400倍POM圖隨老化時間變化形成凝膠化聚集結構
結論 • PL檢測顯示隨著濃度升高，老化過程中的結晶化或聚集誘導發展出兩個0-1及0-2的光激發光峰且明顯增加。意味在較高濃度中所形成的聚集結構或結晶化結構明顯增加，並導致光譜圖之紅移現象。 • UV-vis檢測顯示P3HT共軛高分子鏈有序狀態的振動耦合主要是來自於P3HT共軛高分子鏈的聚集、凝膠化以及結晶化等分子鏈間的相互作用所造成。 • 由Avrami equation結果發現隨濃度增加其斜率n由2.03~1.39，這現象意味溶液中的成長機制隨濃度的增加由2D的奈米板結構轉變成1D的奈米鬚及2D奈米板結構共存
結論 • POM顯示隨著老化的時間的增加，在P3HT/toluene均一溶液中呈現成明顯的相分離形成一富溶劑相及一富高分子相，並且在富高分子相中呈現如液晶般的光學行為，由結果可以佐證隨老化時間的增加P3HT/toluene 均一溶液將呈現液-液相分離成不均一相。P3HT/toluene 凝膠的偏光顯微鏡的型態照片，可以明顯看出P3HT/toluene 凝膠呈現出二次元連結的液晶區域以及黑色的富溶劑區。
參考文獻 (1) Roncali, J. Chem. Rev. 1992, 92, 711. (2) McCullough, R. D.; Ewbank, P. C. In Handbook of Conducting Polymers, 2nd ed.; Skotheim, T. A., Elsenbaumer, R. L., Reynolds, J. R., Eds.; Marcel Dekker: New York, 1998; p 225. (3) McCullough, R. D.; Lowe, R. D.; Jayaraman, M.; Andersion, D. J. Org. Chem. 1993, 58, 904. (4 ) Li, Y. C.; Chen, K. B.; Chen, H. L.; Hsu, C. S.; Tsao, C. S.; Chen, J. H.; Chen, S. A. Langmui,2006, 22, 11009. (5) Rahman, M. H,; Chen, C. Y.; Liao, S. C.; Chen, H. L.; Tsao, C. S.; Chen, J. H. Liao, J. L.; Ivanov, V. A.; Chen, S. A. Macromolecular2007, 40, 6572. (6) Rahman, M. H.; Chen, C. Y.; Chen, H. L.; Chen, J. H.; Liao, S. C.; Liao, J. L.; Ivanov, V. A.; Chen, S. A. Langmuir2009, 25, 1667. (7) Chen, J. H.; Chang, C. S.; Chang, Y. X.; Chen, C. Y.; Chen, H. L. Macromolecules2009, 42, 1306. (8) Li, Y. C.; Chang, Y. X.; Chuang, P. Y.; Chen, H. L.; Chen, J. H.; Hsu, C. S.; Chen, K. B.; Tsao, C. S.; Chen, S. A. Langmuir2009, 25, 4668. (9) Tracy, M. A.; Pecora, R. Annu. Rev. Phys. Chem.1992, 43, 525. (10) Petekidis, G.; Fytas, G.; Witteler, H. Colloid Polym. Sci. 1994, 272, 1457. (11) Tiesler, U.; Rehahn, M.; Ballauff, M.; Petekidis, G.; Vlassopoulos, D.; Maret, G.; Kramer, H. Macromolecules1996, 29, 6832. (12) Van der Schoot, P.; Odijk, T. J. J. Chem. Phys. 1992, 97, 515. (13) Wegner, G. Mol. Cryst. Liq. Cryst.1993, 235, 1. (14) Jamieson, A. M.; Southwick, J. G.; Blackwell, J. Faraday Symp. Chem. Soc.1983, 18, 131. (15) Ferrari, M. E.; Bloomfield, V. Macromolecules1992, 25, 5266. (16) Weissenburg, P.; Odijk, T.; Cirkel, P.; Mandel, M. Macromolecules 1995, 28, 2315. (17) Richtering, W.; Gleim, W.; Burchard, W. Macromolecules1992, 25, 3795. 10. Meyer, E. L.; Fuller, G. G.; Clark, R. C.; Kulicke, W.-M. Macromolecules 1993, 26, 504. Burroughes, J. H.; Bradly, D. D. C.; Brown, A. R.; Marks, R. N.; Mackay, K. Friend, R. H.; Burns, P. L.; Holmes, A. B. Nature1990, 347, 539. Friend, R. H.; Gymer, R. W.; Holmes, A. B.; Burroughes, J. H.; Marks, R. N.; Taliani, C.; Bradley, D. D. C.; dos Santos, D. A.; Brédas, J. L.; Löglund, M.; Salaneck, W. R. Nature1999, 397, 121. Spreitzer, H.; Becker, H.; Kluge, E.; Kreuder, W.; Schenk, H.; Demandt, R. and Schoo, H. Adv. Mater. 1998, 10, 1340. Nguyen, T. Q.; Doan, V.; Schwartz, B. L. J. Chem. Phys.1999, 110, 4068. (22) Niemi, V. M.; Knuuttila, P.; Osterholm, J. E.; Korvela, J. Polymer 1992, 33, 1559. (23) Chen, T.-A.; Wu, X.; Rieke, R. D. J. Am. Chem. Soc. 1995, 117, 233. (24) Chen, T.-A.; Rieke, R. D. Synth. Met. 1993, 60, 175. (25) Siroinghaus, H.; Brown, P. J.; Friend, R. H.; Nielson, M. M.; Beehguaard, K.; Langeveld-Voss, B. M. W.; Spierling, A. J. H.; Janssen, R. A. J.; Meiger, E. W.; Herwing, P.; de Leeuw, D. M. Nature 1999, 40, 685. (26) Rughoopath, S. D. D. V.; Hotta, S.; Heeger, A. J.; Wudl, F. J. Polym. Sci., Polym. Phys. Ed. 1987, 25, 1071. (27) Yue, S.; Berry, G. C.; McCoullough, R. D. Macromolecules 1996, 29, 933. (28) Kobashi, M.; Takeuchi, H. Macromolecules 1998, 31, 7273. (29) Malik, S.; Jana,T.; and Nandi, A. K. Macromolecules 2001, 34, 275.
