全谱Förster型太阳能电池中的能量转移过程调控及其激子猝灭机制

In order to effectively enhance both the Förster resonance energy transfer (FRET) efficiency and the light absorption efficiency of the solar cells, we propose to prepare a kind of panchromatic Förster-type solar cells via self assembly based on spectra/energy level-matchable and distance-controllable FRET bonding system, by using near-infrared squaraine dyes as energy acceptor and the visible type I core-shell quantum dots as donor. Through optimization of squaraine dyes and controllable synthesis of quantum dots, the FRET process will be controlled by adjusting the spectra, energy level and distance of donor-acceptor, which are the internal factors of FRET. The spectra and energy level of FRET system will be adjusted by the dye molecular structures and the size of quantum dots, while both the distance of FRET system and the non-valid charge recombination will be controlled by the wide-band shell of quantum dots. As a result, the FRET efficiency and the photo-to-electric conversion efficiency of cells will be significantly improved. The exciton quenching process and mechanism, and the effects of adjustment of the spectra, energy level and distance of donor-acceptor on the exciton quenching process will be discussed, based on which, the dynamics synergistic mechanism via FRET process-controlling will be revealed. The research results of this project will promote the development of the novel, high-efficient and wide spectra-responsed solar cells and provide the great theoretical basis and practical support for its research and development.

本项目以有效提高Förster型太阳能电池中的FRET能量转移效率从而增强电池吸光效率为目标，拟设计系列近红外方酸染料作为能量受体，可见光吸收的I型核壳量子点作为能量供体，以自组装方式构筑基于光谱/能级匹配、间距可调的FRET键合体系的全谱Förster型电池。通过方酸染料的优化设计和量子点的可控制备，从FRET能量转移的内在因素——供体与受体的光谱、能级和间距着手对FRET过程进行调控：通过染料分子结构和量子点尺寸调控体系的光谱和能级，通过量子点的宽带隙壳层调节体系的间距并抑制非有效的电荷复合，以此显著增强FRET能量转移效率和电池效率。系统研究量子点与染料间的激子猝灭过程，探讨其激子猝灭机制，分析量子点与染料间的光谱、能级和间距调控对二者激子猝灭过程的影响规律，从动力学本质上揭示其对FRET能量转移的增效机理。项目研究可为新型、高效、全谱响应的太阳能电池的开发提供理论基础和实验支撑。

2007年，Koeppe等提出了通过Förster共振能量转移(Förster resonance energy transfer, 简称FRET)作用提高敏化太阳能电池吸光效率，即Förster型太阳能电池。随后，Förster型电池作为一种新型、充满潜力的光电材料与器件在太阳能电池中得到广泛研究和应用。在Förster型太阳能电池中，能量供体-受体之间的键合作用及其对二者间距的调控效应对于FRET能量转移过程来说至关重要。因此，利用化学键合作用将能量供体和受体结合起来构建FRET键合体系，从而为供、受体之间的能量转移创造合适的距离条件，这势必成为增强其FRET作用和Förster型电池效率的有效手段。为此，本项目设计了系列近红外方酸染料（SQ1-SQ5）作为能量受体，设计并合成了系列可见光吸收的I型核壳量子点（CIS@ZnS）作为能量供体，采用自组装方式构筑了基于光谱/能级匹配、间距可调的FRET键合体系的全谱Förster型太阳能电池。通过方酸染料的优化设计和量子点的可控制备，从FRET能量转移的内在因素——供体与受体的光谱、能级和间距着手对FRET过程进行了调控：通过控制方酸染料分子结构和量子点尺寸增强体系的光谱响应、光谱重叠程度和能级匹配度，通过量子点的宽带隙壳层调节体系的间距并抑制非有效的电荷复合。超快/时间分辨光谱证明了CIS和SQ之间的FRET能量转移机制：CIS*+SQ→CIS+SQ*，FRET能量转移速率达到5.0×1010 /s。激子动力学显示，CIS@ZnS与SQ之间的能量转移对量子点的尺寸存在依赖性，由CIS@ZnS尺寸增加引起的荧光量子产率和供体-受体间距的增加使得体系的FRET能量转移效率先增大后减小，最佳FRET能量转移效率达到62%，该Förster型太阳能电池的效率提升20%以上。在此基础上，对电池的光阳极和电解质进行优化，得到了高效、稳定的太阳能电池。项目的研究结果对于开发新型、高效的太阳能电池有着重要的理论意义和实际应用价值。