宽吸收光谱J61/ITIC/PbS感光层的制备及其光电特性研究

Design and preparation of the photosensor film with the virtues of intense absorption, wide-range photoresponse and efficient electron/hole transportation is challenge, which has significant meaning to the photoelectronic field. The key factors of determining the performance of the photosensor are the absorption range of each composition, band alignment and morphology manipulation of the film. In this project, we plan to synthesize PbS quantum dots (QDs) which can be incorporated with J61 and ITIC to form a ternary system. Then, the post treatment of ligand exchange will be applied to tune the energy level of the PbS QDs in the pristine photosensor film of J61:ITIC:PbS QDs. The structure and morphology of the film will be manipulated to improve the exciton dissociation and charge mobility. Moreover, the mechanism of electron/hole transportation in the film will also be investigated. Overall, we aim to fabricate a photosensor film with all the advantages of intense absorption, wide range photoresponse (from visible to near infrared) and efficient electron/hole transportation, which is promising for the applications in the solar energy devices and photo sensors etc.

设计并制备具有高吸收强度，宽响应范围且能进行高效电子/空穴传导的感光层一直是光电器件制备领域的研究重难点。以有机半导体给体:小分子受体:近红外量子点材料组成的感光层极具研究价值，而对其中各组分光响应范围进行匹配并通过对膜的形貌结构和各组分能带分布进行控制是提高该感光层性能的关键。本项目拟以共轭聚合物J61、非富勒烯受体ITIC以及近红外硫化铅（PbS）量子点为研究对象。主要内容包括：PbS量子点的合成，J61:ITIC:PbS固体薄膜的制备，配体置换对PbS量子点能带分布的调节，溶剂效应和不同组分比例对薄膜形貌结构的控制以及相关的电子/空穴传导机理的研究。该研究旨在运用吸收互补的光敏材料形成对太阳光谱具有强吸收和宽响应范围的感光层体系，同时保证感光层高效的电子/空穴传导，预期能获得覆盖可见至近红外区间光谱的感光层，可广泛应用于太阳能电池、光学传感器等领域。

现阶段，我国经济飞速发展与能源短缺的矛盾日益突出，能源问题已关乎到国家的战略安全。研究和发展新能源材料和器件的相关技术是解决该问题的重要途经之一。本项目执行期间，申请人开发了一种新的合成近红外PbS量子点的简易制备方法，通过控制反应条件，可以获得1000 nm-1800 nm波长响应范围的量子点。深入探索反应机理发现，微米级铅原料（PbOHCl）颗粒可在油胺和油酸配体的共同作用下分解成亚微米级前驱体，并最终与S源发生离子置换反应进一步减小尺寸生成PbS量子点。基于此特殊的反应机制，我们实现了对PbS量子点尺寸/吸收峰位的精确控制，提高了不同批次量子点质量的一致性，所合成的PbS具有很高的荧光量子效率。申请人还采用了自行设计搭建的化学气相沉积（CVD）管式炉装置合成了新型碳纳米珍珠链和石墨烯/碳纳米管阵列材料，可作为量子点的载体，以提高PbS在感光层中的含量及其近红外响应强度。在碳纳米珍珠链的合成研究中，确定了在硅片基底上制备碳纳米珍珠链的最优条件是恒温阶段温度控制在1100 ℃，时间为10 min，碳源气体流量维持在35 sccm。最后，申请人探索了具有独特光学性能石墨烯量子点的合成及应用。以1,5-二氨基萘和酒石酸为原材料，乙醇作为溶剂，通过溶剂热反应制备得到氮掺杂的白光发射石墨烯量子点（W-GQDs），拥有在413 nm（蓝光）和558 nm（黄光）的双荧光发射峰并表现出激发独立性发射行为。此外，W-GQDs在365 nm紫外光和日光下具有良好的光稳定性，同时W-GQDs溶液在不同温度下表现出良好的热稳定性，并于25℃达到最佳荧光强度。合成的W-GQDs绝对荧光量子产率高达28.68%。通过将W-GQDs分散于聚乙烯醇和环氧树脂中，固化得到具有白光发射的石墨烯量子点/聚乙烯醇复合材料和石墨烯量子点/环氧树脂复合材料，荧光量子产率分别高达9.32%与11.12%。总之，本项目所开发材料可广泛应用于太阳能器件和光学传感器等领域。