纳米金属氧化物的功能化接枝修饰及对印刷有机光伏界面电荷输运特性的调控

Printable interfacial materials and interfacial charge transporting efficiency play important role in the roll-to-roll full-printed organic photovoltaics. Nanocomposite buffer layers based on metal oxides and organics show great potential in printed organic photovoltaics. However, some drawbacks of weak interfacial bonding, and poor stability should be solved currently. Aiming to develop one kind of printable interfacial materials with excellent photoelectrical properties, long-term dispersibility, less thickness dependence, and interfacial compatibility with other functional layers, this project will provide a series of metal oxide (ZnO, MoO3)-organic nanocomposites, in which functional organic segments will be directly grafted to the metal oxide surface through grafting reaction, like silane and phosphate coupling agents. This project will combine the thermodynamics and kinetics analysis of grafting process, semiconductor doping theory and simulation calculation, systematically study the grafting process from multi-dimensions as atom-molecular, nanoparticle colloidal, films and device. Three aspects including 1) the grafting reaction thermodynamics and kinetics law; 2) the interfacial physical, chemical, and charge transporting effect between metal oxide, surface modification and functional grafting molecular; 3) the influence of functional grafting on the interfacial charge transporting efficiency in the printed organic solar cells, will be mostly investigated. This project will specially emphasize the balance and cooperative improvement between the photoelectrical properties and physicochemical characteristics through functional grafting. This project will provide a series of printable interfacial materials for large-area flexible printing organic photovoltaics, and build an effective route to regulate the interfacial charge transporting efficiency in the printed organic solar cells.

可印刷界面材料及界面电荷输运特性对印刷有机光伏起决定作用。有机-金属氧化物复合材料具有印刷潜力，但目前亟需解决复合体系中界面结合力弱、光电性能调节力差的问题。本项目拟将含有π共轭体系的功能单元经硅烷、磷酸酯偶联剂等作用接枝到ZnO、MoO3纳米粒子表面，获得具有优良半导体特性、界面相容性、高分散稳定性和低厚度依赖性的可印刷界面材料。项目拟1)考察接枝反应热力学与动力学，明确ZnO、MoO3表面高效、可控、定向、有序功能接枝的方法；2)结合半导体掺杂理论，从原子分子、纳米胶体粒子、功能薄膜、半导体器件等多尺度考察接枝过程，阐明功能接枝对材料多尺度范围内光电特性尤其是印刷光伏器件界面电荷输运特性的调控规律；3)构筑接枝单元与ZnO、MoO3间的物化、电荷转移作用，重点解决利用功能接枝平衡材料半导体性能与可印刷性的问题，对推动印刷有机光伏发展具有重要科学研究和应用意义。

可印刷界面层材料及其界面电荷输运特性对印刷有机光伏具有重要影响。本项目旨在开发一种兼具优良的半导体特性、界面相容性、高分散稳定性和低厚度依赖性的可印刷界面层。项目执行过程中，首先解释了导致纳米氧化锌电子墨水聚集不稳定的原因是表面过量的羟基基团，进而开发了基于弱酸为稳定剂的纳米墨水策略。基于表面缺陷钝化的需求，项目开发了基于3种不同端位基团的硅烷偶联剂修饰的氧化锌纳米颗粒；并开发了基于两步接枝修饰的纳米界面材料，以及基于偶联剂修饰的氧化锌与富勒烯的复合界面层材料。项目研究了氧化锌表面修饰对纳米电子墨水分散特性、墨水长时间稳定性以及纳米材料光电性能的影响，实现了墨水稳定性在两年以上，工作厚度最高达到250 nm。其中胺基硅烷偶联剂对氧化锌电子传输层的修饰，钝化表面的羟基基团，抑制了由于表面羟基吸附活性氧，导致阴极界面电子累积的问题。同时项目也揭示了氧化锌纳米颗粒表面羟基基团也是导致有机太阳能电池界面老化的根本原因，提出了薄膜表面的路易斯酸处理策略，解决界面反应问题。项目开发了基于光化学辅助的氧化钼纳米墨水可控合成方法，揭示了该方法对氧化钼中钼价态的调控机理，实现了该类墨水在不同便捷光源下的合成；并用于全溶液有机太阳能电池。本项目开发的表面接枝类氧化锌和氧化钼纳米界面材料，适用于卷对卷凹版印刷、凹版印刷，狭缝涂布等加工方法，工作厚度最高达到250 nm，墨水可稳定保存两年。本项目中，基于旋涂氧化锌电子传输层的倒置结构1 cm2柔性有机太阳能电池效率超过16%；基于凹版印刷的氧化锌，1 cm2柔性电池效率超过14%。在本项目在基金支持下，共发表论文16篇，发表SCI论文15篇，申请国家发明专利7项。