基于嵌段聚合物与无机配体包覆的量子点之间相互作用构筑P-I-N型体相光伏材料活性层及其结构与性能研究

In this project, the block conjugated polymer with high carrier mobility and abroad absorbance will be synthesized in environmental friendly solvents. The polymer can form 10-20 nm micro phase separation via self-assembly. The non-toxicity quantum dots (QDs) will be prepared by using inorganic molecular metal chalcogenide complexes as ligands. By taking advantages of the self-assembly property of polymer, the micro phase separation between polymer and QDs can be realized by the interaction between them. Then, the heat treatment will be carried out in order to realize the transformation of the inorganic molecules. As a result, P-I-N type bulk heterojunction active layer will be formed. In such kind of active layer, a modification layer between P type polymer and N type QDs will be formed which can lengthen the depletion region and the distance of carriers transport, enlarge the absorbance of solar light, and improve the open curcuit voltage and power conversion efficiency of the obtained solar cells. In summary, all of the processes are environment friendly from the material synthesis to the devices fabrication. The efficiency of excitons dissociation can be enhanced by controlling the morphology while the efficiency of carriers extraction and the absorbance of light can be improved by tuning the depletion region width. In addition, to make clear how to control the phase separation in nano range, lengthen the efficiency of excitons dissciation and carriers extraction, etc., can provide value reference to the field of hybrid solar cells.

拟在环境友好溶剂中合成具有高载流子迁移率和宽光谱吸收的嵌段共轭聚合物，该聚合物可自组装形成10-20 nm的微相分离；以无机分子即金属硫族化合物为配体制备无毒量子点；利用聚合物自组装性能及其与量子点之间的相互作用实现在纳米尺寸范围内的微相分离；热处理后，量子点表面的无机配体分子发生转变，在P型聚合物和N型量子点之间形成具有高导电性和吸光性的纳米修饰层，获得P-I-N型聚合物/量子点体相异质结活性层。其中，纳米修饰层的存在可以拓宽材料耗尽层宽度，从而提高器件开路电压和效率。我们所设计的材料以及加工过程环境友好，从调控形貌上来提高激子解离效率，从调节耗尽层宽度上来提高载流子提取效率和对光源的利用，诠释实现微相分离、提高激子解离和载流子提取效率等的根本原因，为杂化太阳能电池领域的发展提供有价值的参考，具有重要意义。

本项目按照研究计划，顺利完成了以下研究内容：（i）基于P-I-N型聚合物/量子点体相异质结活性层的设计思想，发展了体相双边异质结太阳能电池，实现了基于全水相加工法构筑太阳能电池光电转换效率的多次突破（从5.64%到6.01%到6.51%）；对其光电转换机理进行了深入研究，结果表明这种结构的活性层具有更宽的耗尽层宽度，从而提升了对太阳光的利用率，延长载流子的寿命，提高载流子提取效率；最终获得了基于水相杂化太阳能电池中最高的短路电流（19.5 mA cm -2），最宽耗尽区宽度（177 nm）和最高光电转换效率（6.51％）。（ii）在环境友好溶剂中制备了系列锌基环境友好纳米材料以及金属配体包覆的铜基纳米材料，并对其光电转换性质进行了深入系统研究；同时，成功将上述体相双边异质结太阳能电池结构用于构筑基于环境友好量子点的太阳能电池，将耗散区从137 nm拓宽到171 nm；进一步通过调控退火温度，将耗尽区最终拓宽到200 nm，此时的耗尽区宽度和耗尽区占活性层的比值（74%）都是水相纳米晶太阳能电池的最高值，从而有效提升了载流子的提取和传输能力；也证明了上述太阳能电池结构和光电转换理论的普适性；（iii）在（i）和（ii）基础上，发展了更多种类环境友好纳米材料，并将应用从太阳能电池领域拓宽到光催化、储能等领域，为新能源材料的设计、开发、性能研究提供了一定理论指导。.基于本项目在国际重要学术期刊Adv. Mater.，Adv. Energy Mater.，Appl. Catal. B. Environ.，Small, J. Mater. Chem. A等发表SCI论文29篇，授权和申请中国发明专利6项；培养博士研究生5人（2人已毕业），硕士研究生16人（8人已毕业），其中2人获得吉林省优秀硕士学位论文。.