一维有机纳米同轴异质结中的多重激子效应探索及其应用

In order to enhance the power conversion efficiency in solar cells, multiple exciton generation (MEG) in nanomaterials has been paid special attention. MEG has been found in some inorganic nanomaterials and in their corresponding photoelectric devices. However, this phenomenon has never been found in organic nanomaterials. Based on the analysis about the characteristics of one-dimensional (1D) organic semiconductor coaxial heterojunction nanomaterials together with the foundation of our previous works, we think that MEG might possibly exist in such organic nanostructures. Therefore, this project is aimed at providing a detailed proof concerning that whether MEG can exist in 1D organic coaxial heterojunction nanomaterials or not. To this end, we mainly focus on the following aspects in this project: the selection and synthesis of organic semiconducting materials, the fabrication of 1D nanomaterial with coaxial heterojunction, the experimental measurement and data analysis, and the construction and characterization of devices. This project will be helpful for enhancing the photoelectric properties of organic semiconductors, for elucidating the relationship between structures and properties in organic semiconductor 1D nanomaterials, and for developing new-type energy materials and devices.

为了提升太阳能电池的光电转化效率，人们对于纳米半导体材料中的多重激子效应给予了格外的关注，并在一些无机半导体材料中观察到了多重激子产生的现象。然而，在有机半导体材料中则尚未发现此现象。通过对一维有机半导体同轴异质结纳米材料的特点进行分析，并结合我们前期的工作基础，我们认为在此种有机纳米结构中是有可能存在多重激子效应的。因此本项目从有机半导体材料的选择与合成、一维同轴异质结纳米结构的制备、实验测试与分析、器件的构建与表征等方面一一进行阐述，力求通过此项目的实施能够对一维有机同轴异质结纳米材料中是否存在多重激子产生的可能性给出翔实的判据。本项目的实施对于提升有机半导体材料的光电性能、阐明有机半导体一维纳米材料结构与属性的关系、开发新型能源材料和器件有很好的催进作用。

为了提升有机太阳能电池的光电转换效率，本项目旨在合成一系列具有优秀光电转换特性的有机光伏材料，制备太阳能电池器件并优化其性能，基于合成的有机光伏材料制备一维同轴异质结纳米结构，并探索是否存在多重激子效应。主要研究内容包括：1）合成了聚合物给体和小分子电子受体这两类材料，前者适合形成纳米纤维，后者适合作为包覆层。在聚合物给体材料方面，我们通过调控分子骨架的平面性及规整性，合成适宜生长纳米纤维的聚合物给体材料；在小分子电子受体材料方面，我们探究了可有效调控化合物溶解性与分子堆积的分子结构设计方法，开发了利用非共价稠环结构设计合成非富勒烯电子受体的新策略，合成了具有近红外吸收能力的高效率小分子受体材料，研究了核基团、桥联基团、侧链基团、端基对于分子排列和堆积方式及材料溶解性的影响，并调查了分子结构与材料光学和电学属性的构效关系，还对比了不同分子对称性对于材料光电属性及光伏性能的影响。2）基于聚合物给体材料制备了纳米纤维结构，探索了电子给/受体界面修饰对于激子产生与分离过程的影响；研究了多元组分体系对于光伏器件性能的提升效果；调查了固体添加剂对光伏材料激子行为的影响，并研究了其作用机理；分析了一维同轴异质结纳米结构中存在多重激子效应的可能性；重点研究了调控分子聚集行为和激子行为对于电池器件光电转换性能的影响。概言之，我们从有机光伏材料的设计与合成、一维同轴异质结纳米结构的制备、性能测试与分析、器件的构建与表征等方面进行研究，着力于提升有机太阳能电池的光伏性能，并对一维有机同轴异质结纳米材料中是否存在多重激子产生的可能性得出了初步结论。本项目的实施对于提升有机光伏材料的光电转换性能、阐明有机半导体一维纳米材料结构与属性的关系、开发新型能源材料和器件有很好的催进作用。