液晶聚噻吩/ZnO制备微观结构有序的杂化太阳能电池材料及其性能研究

制备出具有有序的连续互穿导电网络微观结构的光敏层是提高有机/无机杂化太阳能电池光电转换效率的关键。针对于此，本项目提出采用配体处理和Heck偶联反应将侧链带有三联苯液晶基元的聚噻吩直接接枝到ZnO纳米晶或纳米棒表面，经过表面功能化改性后的ZnO能够均匀地分散在聚噻吩中，且保持稳定的异质结界面，形成连续互穿导电网络结构。通过利用三联苯液晶基元的液晶取向行为，对复合薄膜的微观形态进行有效地调控，实现微观结构有序化。同时，利用三联苯发光基团与聚噻吩主链、ZnO之间的能量转移，提高量子效率，实现敏化效果。研究不同状态下液晶基元的取向行为对薄膜微观结构的影响，深入理解复合薄膜的微观结构对异质结界面间的激子分离效率、自由载流子输运及光电转换效率的影响，理解发光基团的敏化机制。并以此为基础，制备出具有高光电转换效率的太阳能电池器件。

有机/无机杂化太阳能电池由于综合了两种材料的优点：既利用了无机纳米晶载流子迁移率高、化学稳定性好的特点；又保留了高分子材料良好的柔韧性和可加工性，使低成本、高效率的太阳能电池的实现成为可能。构筑在纳米尺度上、微观结构有序的、具有连续互穿导电网络结构的光敏层是提高有机/无机杂化太阳能电池光电转换效率的关键。针对于此，本项目创造性地将液晶基元强大的形貌控制能力应用于有机/无机杂化太阳能电池光敏层的微观结构调控上。首先，本项目通过合理地将发光性联苯或三联苯液晶基元引入到共轭聚合物侧链，设计合成了一类新型的侧链型液晶性共轭聚合物。研究发现，发光性联苯或三联苯液晶基元自发取向的同时，能够有效地调控共轭主链的取向行为，实现共轭主链的有序排列，同时又保持良好的发光性，并证明液晶基元与共轭主链之间存在能量转移，从而进一步增强共轭聚合物光电效应。之后，本项目将该类新型的侧链型液晶共轭聚合物作为电子给体材料应用于杂化太阳能电池光敏层中，利用液晶基元驱动实现光敏层中电子给体材料和电子受体材料在纳米尺度上的相分离，以及提高微观结构的有序性，从而提高光电转换效率。研究表明，联苯或三联苯液晶基元的自发取向在诱导共轭聚合物主链有序排列的同时，还赋予了共轭聚合物/ZnO（或富勒烯）杂化材料在纳米尺度上的相分离及有序的微观形貌。与未经过热处理的薄膜以及在低于或高于液晶态转变温度热处理的薄膜相比，薄膜在液晶态转变温度范围内热处理后，形成了有序的纳米尺度上的微相分离，其电池性能有明显提升。以上实验结果充分证明液晶侧链的引入可以从分子角度对聚合物给体和ZnO（或富勒烯）的分布进行调控，从而实现在纳米尺度上对活性层杂化材料微观结构有序性的控制，极大地利于激子的分离、载流子的传输和有效收集，器件效率得到明显提高。另外，研究还发现液晶侧链的取向行为还可以调控共轭聚合物给体材料的分子轨道能级，降低最低未占据分子轨道（LUMO）而不改变最高占据分子轨道（HOMO），从而实现在不降低开路电压的情况下，进一步降低能带间隙，扩大光谱吸收范围，增强光电转换效率。此外，在该基金的资助下，本项目小组还在利用嵌段共聚物自组装特性、在聚合物中原位生长无机纳米晶以及利用氢键等弱键力诱导给体材料和受体材料协同自组装调控有机/无机杂化光敏层微观结构有序性方面做了一些初步的研究工作。