共轭聚合物链运动对半导体纳米晶结构的调控及在太阳能电池方面的应用

本项目以纳米晶在聚合物介质中的结构演化为基础，拟控制纳米晶表面配体在高于聚合物玻璃化转变温度条件下的吸附解吸附，实现配体的有效去除，并实现在纳米晶/聚合物复合太阳能电池方面的应用。研究主要包括两个方面：一、研究半导体纳米晶与共轭聚合物复合后，热处理条件下部分或全部去除纳米晶表面配体，这有利于载流子高效传输；二、研究纳米晶在聚合物中聚集形成三维互穿网络的可能性，这也有利于载流子传输效率的提高。预期通过以上研究增进纳米晶与共轭聚合物之间的载流子传输能力，提高复合太阳能电池效率。

本课题的主要计划研究内容为：1）合成高质量的纳米晶和导电聚合物前驱体；2）研究了表面电荷对纳米晶、导电聚合物前躯体复合的影响，尝试制备有机/无机杂化材料；3）通过纳米晶-共轭聚合物复合薄膜的热处理有效实现了光电转换；4）研究了纳米晶在聚合物中生长的规律。进一步优化纳米晶合成方法，改善纳米晶与聚合物复合技术，优化纳米晶/聚合物杂化太阳能电池，进一步提高电池效率。5）尝试将不同种类、不同尺寸、不同形状、及不同表面配体的纳米晶与共轭聚合物复合。尝试新型的共轭聚合物的合成，继续利用水相太阳能电池清洁环保的特色，努力提高光电转换效率，并尝试石墨烯量子点、聚合物点、碳量子点的制备。该类量子点有优秀的荧光性质，有良好的pH响应，环保无毒，可以应用在生物成像领域。在此研究内容基础上我们还深入研究了水相合成CdTe 纳米晶的反应机理，改进和完善了高发光效率的水相纳米晶的制备方法；此外，我们还设计优化纳米晶/共轭聚合物复合体系的制备方法。根据纳米晶和聚合物特点，将纳米晶（或前驱体）与聚合物前驱体（或称为聚电解质）通过原位聚合、层层组装、电化学沉积、直接旋涂等方法复合，用聚合物稳定纳米晶。该过程中可以适当引入化学键联或超分子间弱相互作用，提高纳米晶与聚合物的兼容性，以保证纳米晶的分散性和浓度。通过优化实验条件，器件结构，最终获得了有效的光伏响应信号。我们还制备了高质量的四元的纳米粒子，通过巧妙的设计硒源成功的开发了一种制备硒化物纳米晶的方法并应用于光检测。通过纳米晶的表面偶极修饰，我们可以通过改变纳米晶表面偶极距来改变纳米晶的能带弯曲，最终在制备的杂化太阳能电池器件中获得1.4V的开路电压。通过增加纳米晶与聚合物的接触面积，获得了较大的短路电流，最终的光电转化效率达到了1.5％，由于我们的纳米晶具有较好的近红外吸收，所以近红外的贡献达到了11.4％。由聚合物和纳米晶杂化制备的反式太阳能电池器件中，由于避免了水溶性活性层对阳极修饰层PEDOT：PSS的部分的溶解，获得了3.6％的光电转化效率。通过修饰一层纳米晶增加对光的吸收后光电转换效率提高到了4.76％。这个效率达到了杂化太阳能电池器件的国际领先水平。