基于水相合成的高分子纳米杂化材料的微结构调控与光电性能研究

In recent years, development of novel photoelectric materials has drawn increasing attentions due to the severe challenges from energy and environment. In this sense, it's significant to design environment-friendly solar cells from aqueous-solution-processing approaches. The research contents of this project can be divided as follows: First, we want to establish methods of fabricating polymer hybrid composites based on the preparation of aqueous nanocrystals, luminescent carbon dots and water-soluble conjugated polymers with high carrier mobility. Additionally, we want to achieve bicontinuous pathways by controlling the interaction and phase separation between polymers and nanodots. After that, we want to construct the ordered heterojunction for effective carrier transport through template-induced assembly. Finnally, we want to strengthen the absorption by constructing anti-reflection structure and taking advantage of plasmon resonance, thus further improving the device performance. This project aims to achieve the environment-friendly fabrication of efficient photoelectronic devices, such as solar cells, infrared light detector, and light emission diodes, with the polymer hybrid materials as active layers.

发展新型光电转换材料一直倍受青睐，考虑能源和环境两个方面，设计全水相操作路线来构筑更加清洁环保的太阳能电池是非常有意义的。本项目主要研究内容是基于水相合成纳米晶、碳基荧光纳米点和高载流子迁移率的水溶性共轭聚合物材料，建立相关杂化与复合方法；通过调节聚合物与纳米点之间的相互作用，调控本体微相分离实现双连续相互穿结构；通过模板诱导组装构筑有序微纳结构，实现载流子的高效传输；通过在界面构筑减反射有序微结构和利用等离子共振来增强光的吸收，进一步提高器件光电转换效率。研究目标是实现以聚合物杂化材料为活性层的高效太阳能电池、红外光探测、LED等光电转换器件的绿色制备。

在本项目中，我们顺利完成了原定目标，研究内容和取得的重要成果包括：.（1）聚合物纳米杂化光电构筑基元的水相合成与制备方法。合成了新型水溶性光电聚合物和半导体纳米晶；发展了水热交联聚合法制备碳化聚合物点，提出交联增强理论；成功实现了这些光电构筑基元与聚合物的复合与杂化。.（2）聚合物纳米杂化材料不同微纳结构的制备及其与光电性能关系的研究。提出了双边体相异质结概念，将光电转换效率进一步提高到6.5%（报道时的最高效率），深入的机理研究表明这种结构可有效扩宽活性层中的耗散层宽度，提升对太阳光利用率，延长载流子寿命，提高载流子提取能力。.（3）聚合物杂化光电器件构筑、微纳结构调控与性能优化。采用调控构筑基元组成、控制活性层厚度、界面修饰等各种手段调控器件结构，优化其性能。发展了基于碳化聚合物点的新型光电器件，如其与光固化剂共混作为发光二极管颜色转换层制备了全色发光器件；将其成功用于太阳能电池的修饰层等。成功利用聚合物复合来增强钙钛矿纳米晶的稳定性及光电性能，获得了报道时基于全无机钙钛矿纳米晶的最高光电转换效率等。.许多重要国际杂志包括Chem. Soc. Rev.，Prog. Polym. Sci.，Angew. Chem. Int. Ed.，Adv. Mater.等采用大段文字或者引用图文数据对我们的工作进行了评述。基于本项目在国际重要学术期刊Angew. Chem. Int. Ed.，Adv. Mater.，Adv. Energy Mater.，Adv. Sci.，Nano Today等发表SCI论文76篇，其中ESI高被引论文10篇；授权和申请中国发明专利13项；博士研究生已毕业13人，其中有2人入选2018-2019国家“海外高层次人才引进计划”青年项目，2人入选吉林省优秀博士学位论文，4人入选吉林大学优秀博士学位论文；硕士研究生毕业9人，其中1人入选吉林省优秀硕士学位论文，1人入选吉林大学优秀硕士学位论文；目前在读博士研究生8人，硕士研究生10人；项目负责人杨柏应邀在国内外重要学术会议做邀请报告23次。