二维卟啉金属-有机骨架薄膜的设计制备与光电转换的研究

This proposal focuses on the studies of metal-organic frameworks as photoelectric conversion materials to implement photoelectric conversion. First, we will design and synthesize a series of porphyrin compounds with different molecular structures and high light absorption capacities, and prepare two dimensional porphyrin metal-organic framework thin films onto functionalized substrates by using these porphyrin compounds as organic linkers with liquid-phase epitaxial growth method in order to overcome the problem of disordered structure and poor light capture ability during the formation of metal-organic framework thin films. Second, we will incorporate doped metals, electron donating groups, conjugated side chains and load guest molecules into these two dimensional porphyrin metal-organic framework thin films, systematically investigate their influences on charge carrier mobility and volume resistivity with comprehensive surface analytical and spectroscopic techniques in order to overcome the problem for traditional metal-organic framework material with a low charge carrier mobility and high volume resistivity, and establish structure-property relationship of the thin films. Finally, we will investigate the photoelectric conversion of prototype thin film solar cells based on these two dimensional porphyrin metal-organic framework thin film materials.

本项目聚焦于以金属-有机骨架材料作为光电转换材料，实现光电转换的研究。首先，通过设计、合成一系列不同分子结构、高吸光性能的卟啉化合物作为有机配体，利用液相外延分步生长法，在功能化基底表面上制备二维卟啉金属-有机骨架薄膜，以期克服金属-有机骨架材料在成膜过程中结构无序和光捕获能力差的问题。其次，通过在二维卟啉金属-有机骨架薄膜中引入掺杂金属、供电子基团、共轭侧链及负载客体分子，利用表面分析和光谱技术，系统研究其对薄膜电荷载流子迁移和薄膜体电阻的影响，以期克服传统金属-有机骨架材料低电荷载流子迁移率和高薄膜体电阻的问题，并建立薄膜结构-薄膜性能的构效关系。最后，探索基于二维卟啉金属-有机骨架薄膜材料的原型薄膜太阳能电池的光电转换。

本项目聚焦于以金属-有机骨架材料作为光电转换材料，实现光电转换的研究。(1) 搭建了液相外延分步生长法在功能化基底表面上制备二维金属-有机骨架薄膜的平台；(2）提出了利用上转换提高光电流的策略，构建了具有上转换功能的二维金属-有机骨架光电化学器件，为将金属-有机骨架材料用于光电转换，提高光电流强度，提供了新的思路；(3）结合瞬态吸收谱技术，发现二维卟啉SURMOF光照后产生的激发态单重态S2和第一激发态S1在经历内部转换后，会发生显著的猝灭现象，这为研究光生电荷在金属-有机骨架材料中的传输和分离起到了很好的借鉴；(4）SUMOF衍生材料具有透明以及优异的稳定性和催化性能，作为对电极用于DSSC展现出较高的光电转换效率。 SUMOF衍生材料拓宽了SURMOF的应用方向；(5）利用液相外延分步法负载Au55团簇，该方法可以有效的解决团簇容易团聚的问题，且负载后的复合材料具有优异的催化性能。此外，金属团簇@SURMOF 具有结构有序性和确定组成，是研究光物理过程的理想模型材料。项目执行期间，共参加国内外学术会议8次，邀请报告6次；组织会议2次。共发表SCI论文16篇；培养研究生5人，在读博士研究生2人，在读硕士研究生6人。