新型超分子自组装介孔光伏材料的制备及电子输运机理研究

In the field of new energy, solar cell has become a cutting-edge research topic with particular difficulties. However, the blending of donor and acceptor materials hinders the improvement of power conversion efficiency of traditional thin-film solar cell. To break this barrier, in this project, we aim to design and synthesize a novel rylene-based molecule with specific photoelectric properties based on molecular self-assembly techniques. In our project, the two dimensional supramolecular porous network is formed on the transparent and conductive substrates by using organic molecular beam epitaxy (OMBE). The layer-by-layer growth dynamics and the pertaining physical properties are explored via Scanning Tunneling Microscopy (STM) at a molecular level. After that, bilayer donor-acceptor self-assembly system with molecular precision is supposed to achieve in combination with novel donor molecule. We will study the molecular layer growth mechanism, interface charge transport and photoelectric properties of system by a series of theoretical analysis and experiment techniques, providing a comprehensive characterization. This project is of much innovative significance and aimed to realize precisely control of organic multilayer at interfaces, paving the way toward research on precise organic photovoltaic material and device.

太阳能电池是当今新能源领域的研究热点和难点，传统薄膜太阳能电池由于给体-受体(D-A)材料的混合，转换效率难以提高。为了有效突破低转换效率的壁垒，基于前期的研究基础和条件，本项目创新性提出设计合成一种具有优异光电性能的新型萘嵌苯基分子，利用有机分子束外延方法精确控制生长，在透明导电基底上制备二维介孔结构分子层，利用扫描隧道显微镜（STM）探究分子层的形成过程和机理；结合新型电子给体单元实现“定位式”良好接触，从而构筑出分子精度的电子给体-受体(D-A)自组装体系。实验结合理论分析对体系的生长机理、界面电荷转移以及材料的光电性能进行深入研究。本项目利用表/界面分子自组装来实现多分子层的精确操纵，创新性强，有望为精密有机光伏材料与器件的研究及发展提供新的方向。

表面自组装是现代碳纳米材料与器件研究的热门领域之一，而有机超分子的生长和分子精度器件的制备一直是实验上难以精准控制的环节。本项目以低维分子自组装为主要研究对象，针对未来纳米光电材料与器件高效率的需求，开发可应用于分子器件的新型有机分子层材料，并系统研究了该低维材料分子结构的形成条件及生长机理。项目执行过程中，利用扫描隧道显微镜（STM）、原子力显微镜（AFM），结合密度泛函理论（DFT）模拟和拉曼、紫外光谱、飞行时间质谱等多种表征手段对多种新型低维分子材料的三维自组装、制备方法、纳米功能器件和二维材料的表面修饰及理化性质进行了深入研究，主要成果包括：实现了三维轴向分子的自组装生长；利用分子间相互作用，成功实现了多种类石墨烯材料的制备；利用自组装的方法合成了具有原子级别精细结构的分子线器件；探究了二硫化钼、石墨烯等二维材料的有机表面修饰对材料光热性质的影响。上述研究丰富了对二维分子材料与器件的认识，为二维类石墨烯材料、孔结构材料及器件的制备和开发提供了很好的可行性思路。项目执行期间，累计发表基金标注的SCI期刊论文7篇，EI论文1篇，申请国家发明专利1项。