二元铜硫氧族纳米晶的可控合成及其在聚合物太阳能电池中的应用研究

The aim of this project is to prepare binary copper chalcogenide nanocrystals, which can be used in polymer solar cells for improving the power conversion efficiency of devices by using the plasmonic absorption effect of such nanocrystals. In this project, the colloidal synthesis method based on hot injection technique is employed which makes the effective separation in time of the nucleation event from the growth process. In this way, highly uniform binary copper chalcogenide nanocrystals with controllable shape and structure can be obtained through precisely tuning parameters (reaction temperature, time, concentration etc.) together with the regulatory functions of inorganic ions (Al3+, Mg2+, and In3+) and organic amide molecules such as bis(trimethyl)amide. Tracking the dynamic change of morphology structure during the preparation process is essential to reveal the formation mechanism of nanocrystals with various morphologies and to deeply understand the synergistic effect between the multiple components. In view of the plasmonic absorption of nanocrystals in the visible and infrared region (NIR), it is possible for them to be doped in the active or interfacial layer of polymer solar cells as the alternatives of the noble metal nanocrystals (Au and Ag). The effects of doped nanocrystals towards the performance of solar cells are investigated in order to establish the relationship between nanocrystal morphology and power conversion efficiency of solar cells.

拟合成新型二元铜硫氧族纳米晶，并将其用于聚合物太阳电池中，利用其等离激元效应促进聚合物太阳电池活性层的光吸收，以提高电池的能量转换效率。纳米晶形貌和尺寸对其等离激元效应具有重要影响。本项目拟采用胶体热注射法，通过精确调变合成过程参数（反应温度、时间、浓度等），利用无机盐离子添加剂(Al、Mg、In等)以及有机酰胺类大分子（双三甲基-硅基-酰胺盐等）的调控作用, 实现纳米晶结晶和生长过程的有效分离，合成出形貌结构高度均一的新型二元铜硫氧族纳米晶。跟踪研究过程中纳米晶形貌结构的动态变化规律，揭示不同形貌纳米晶的形成机理，加深对各组分协同作用机制的理解。基于合成纳米晶在可见和近红外区域的等离子体吸收特性，开展其作为贵金属(Au,Ag)纳米粒子的替代物在聚合物太阳能电池活性层和界面层中的掺杂研究，考察纳米晶掺杂对太阳电池性能的影响规律，建立纳米晶形貌结构与太阳能电池光电转化效率之间的关联即构效关系

该项目旨在合成出形貌结构高度均一的新型二元铜硫氧族纳米晶，跟踪研究过程中纳米晶形貌结构的动态变化规律，揭示不同形貌纳米晶的形成机理；进一步利用合成的纳米晶在可见和近红外区域的等离子体吸收特性促进聚合物太阳电池活性层的光吸收，以提高电池的能量转换效率。涉及到的主要研究内容、重要结果等具体如下：.1. 制备得到生菜状的硫化铜微米结构。粒子平均尺寸为８微米，大小分布均匀，是由10纳米大小的纳米圆球为基本构成单元，在表面包覆的油胺/十二硫醇分子间的相互作用下形成的。它们表现出疏水性，比表面积较大，可以在水溶性的纳米通道中长期稳定存在，同时可与光响应的螺吡喃分子很好的互溶并实现有效的负载。交替紫外和可见光照射下，可以很好地实现通道的“开”和“关”，且该转换可以多次重复，表明了基于生菜状硫化铜所构建的异质纳米通道具有优异的光控性及良好的重复性和稳定性，相关文章发表在 ACS Nano上。这类新型的生菜状硫化铜微米结构可以替代传统意义上所用的固态合成的纳米通道；同时制备方法简单，灵活可操作性强；.2. 重点通过控制Au晶种的浓度，制备出了两种形貌的Au@CuxS异质纳米粒子，利用透射电镜等仪器直观地观测到了异质结构纳米粒子动态生长的过程，基本揭示出了其生长机理；CuxS的存在引起Au等离激元特性的变化，具体表现为近场强度增强及宽带散射特性的出现。实验结果表明，通过在活性层中掺杂Au-CuxS纳米粒子，有效提高了聚合物太阳电池光电转化效率（在10-20%之间），最终能够获得9%的效率。这是首次发现利用贵金属-半导体异质结纳米材料的局域表面等离激元共振作用可以有效地提高活性层吸光强度，为真正地解决对有机光伏材料来说，其光学厚度与电学厚度无法调和这一根深蒂固的矛盾提供了很好地理论和实验基础。相关结果已经整理成文投到J. Am. Chem. Soc.。