导电高分子P-N异质结气凝胶的合成及其光电性能研究

Bulk heterojunction structure is the critical part of organic solar cells, which can absorb light and convert it into free charges. Aerogel is a highly porous solid material with extremely low density, low thermal conductivity and high specific surface areas. The introduction of bulk heterojunction structure to aerogel would produce some interesting properties such as conductivity, photoelectric converting, and pyroelectricity, which shows potential application in energy and electronic device. Therefore, in this project, all-conjugated P-N block copolymers based on poly(3-hexylthiophene) and poly(naphthalene diimide) are synthesized via the externally initiated Kumada catalyst-transfer polycondensation. Then, the block copolymers are used to make the P-N heterjunction aerogels. The influences of the polydispersity and composition of the block copolymers on the micro-structures and properties of the aerogels will be investigated. Furthermore, the impacts of solvents and supercritical drying parameters on the structures of the aerogel will also be investigated. Finally, the application of the P-N heterjunction aerogel to hybrid organic solar cells and heat to electricity conversion will be tried.

导电高分子P-N异质结是有机太阳能电池的核心部分，能够吸收紫外-红外光并激发成自由空穴和电子从而实现光电转换。气凝胶是一种高度多孔化的固体纳米材料，具有低密度、高绝热隔音、巨大的比表面积等特点。把导电高分子P-N异质结作为结构基元制备气凝胶，可望获得导电性、光电转换、热电转换等特殊功能，从而在能源和电子器件领域展现出巨大的应用潜能。因此，本课题拟通过准活性格氏交换聚合法合成聚(3-己基噻吩)和聚萘二酰亚胺的P-N型嵌段共聚物，并以此作为结构基元制备P-N异质结气凝胶。通过控制嵌段共聚物的分散度以及P-、N-型链段的摩尔比，研究其对P-N异质结气凝胶微观结构和性能的影响。同时探索有机凝胶溶剂的种类、超临界干燥等工艺参数对气凝胶结构参数的影响，最终得出P-N型导电高分子嵌段共聚物结构——工艺条件——气凝胶性能之间的相互关系。最后，探索P-N异质结气凝胶在太阳能电池、热电转化等领域应用的可行性。

气凝胶是一类具有连续开孔、巨大比表面积、高孔隙率、极低密度和热导率的纳米多孔材料。由于其独特的结构和性能，气凝胶被广泛应用于能源、环境、生物、建筑、空天等领域。另一方面，导电高分子是一种轻质的有机半导体材料，通过分子结构设计与多级组装，可实现太阳光的光电转换，被广泛应用在有机太阳能电池、有机发光二极管、传感器等器件的核心部件中。本项目以导电高分子为构建单元（前驱体），通过溶胶-凝胶转变及特殊干燥工艺制备导电高分子气凝胶，不仅赋予气凝胶导电性，而且将气凝胶的节能功效与导电高分子的光电转换功能有机融合于一体，并初步尝试了其在太阳能电池、传感、能源存储、智能加热、环境修复中的应用。主要研究内容包括：（1）以聚（3-已基噻吩）及其嵌段共聚物为构建单元，通过物理凝胶过程和减压干燥技术，制备了系列纳米纤维构筑的导电高分子子，同时制备了相应嵌段共聚物的太阳能器件；（2）制备银纳米线-聚吡咯复合导电气凝胶，通过结构设计获得零温度系数的导电气凝胶，其应力检测极限为4.93Pa，应变检测极限为0.5%；（3）通过前驱体结构设计，实现了线形聚合物的凝胶网络的固相连续化，进一步采用超临界干燥技术，制备了具有多重结晶结构的气凝胶，实现集隔热和储能于一体。研究结果表明，通过聚噻吩和聚吡咯的自组装，可获得纳米纤维网络的导电气凝胶；通过在柔性网络中引入固相（刚性）连续网络，可抵抗超临界干燥过程中的收缩，获得结构完善的气凝胶；通过引入无机硅原子，可进一步实现气凝胶的高弹性。相关研究结果揭示了制备气凝胶的关键影响因素，同时为气凝胶的结构设计、功能化奠定了理论依据，即采用功能化前驱体为构建单元，即可实现气凝胶的功能化设计。此外，本研究进一步扩展了气凝胶的应用领域，将隔热与储能结合于一体，也首次采用干涂法实现气凝胶对固体介质的表面疏水化改性，并首先实现生命活体表面的超疏水化改性。