窄带隙小分子液晶驱动ZnO/P3HT调控杂化本体异质结微观结构及光伏性能

提高杂化本体异质结的微观结构有序性，在不同维度上（一维、二维和三维）实现杂化本体异质结微观结构有序性的调控，是深入理解本体异质微观结构有序性与光伏性能相互关系，提高有机/无机杂化太阳能电池光电转换效率的关键。针对于此，本项目提出采用窄带隙的小分子液晶配体对ZnO纳米晶进行表面改性，在小分子液晶配体的驱动下，液晶化ZnO能够有序地分布在P3HT中。利用不同小分子液晶的液晶取向行为，对液晶化ZnO纳米晶在P3HT中的有序分布，以及P3HT链段排列有序性进行有效地调控，不同维度上实现杂化本体异质结微观结构有序化。同时，利用窄带隙小分子液晶配体与ZnO之间的能量转移，实现敏化效果。研究小分子液晶配体在不同维度上的取向行为对薄膜微观结构的影响，深入理解不同维度上杂化薄膜的微观结构有序性对异质结界面间的激子分离效率、载流子输运及光电转换效率的影响。以此为基础，制备出具有高光电转换效率的太阳能电池器件。

共轭聚合物/无机半导体纳米晶杂化本体异质结太阳电池由于集无机物电子迁移率高、稳定性好、光学性能可调与有机物的轻质、柔性和可加工性等优点于一体，使低成本、高效率太阳电池的实现成为可能而引起广泛关注。形成纳米尺度上的互穿导电网络结构，实现杂化本体异质结微观结构的可控性，深入理解本体异质结微观结构与光伏性能之间的相互关系是提高有机/无机杂化太阳能电池光电转换效率的关键。针对于此，本项目提出利用液晶有序取向行为调控杂化本体异质结微观结构。首先，本项目合成了窄带隙液晶小分子配体，并用其对ZnO纳米晶进行表面改性。研究发现，采用液晶小分子配体修饰ZnO纳米晶，不仅可以提高ZnO纳米晶在有机溶剂中的溶解性，且能够有效地钝化ZnO纳米晶的表面缺陷，提高其紫外发光性能。同时，液晶小分子配体与ZnO纳米晶之间存在明显的能量转移，从而能够起到敏化的效果，扩大光谱吸收范围。此外，液晶小分子配体还能够覆予ZnO纳米晶以明显的介晶行为。之后，本项目将液晶小分子配体修饰的ZnO纳米晶作为电子受体材料应用于杂化太阳能电池活性层中，利用液晶小分子有序取向行为调控ZnO/P3HT杂化本体异质结微观结构，从而提高光电转换效率。研究表明，相比于未经表面处理的ZnO纳米晶，经液晶小分子配体改性的ZnO纳米晶能够有效改善ZnO/P3HT杂化体系的微观结构，同时还可以明显提高P3HT的结晶性和链段堆砌的有序性。更有意义的是，在液晶态转变温度范围内退火处理，小分子液晶配体能够驱动P3HT链段形成更为取向有序的纳米结构，从而进一步改善ZnO/P3HT杂化本体异质结的微观结构，相应的器件效率明显提高。以上实验结果充分证明，采用液晶小分子配体修饰无机半导体纳米晶，将其应用于杂化太阳能电池，能够实现在纳米尺度上对杂化本体异质结微观结构的调控，极大地利于激子的分离、载流子的传输和收集，从而提高器件效率。该项目的实施为实现杂化本体异质结微观结构的可控，提高杂化太阳能电池光电转换效率提供了有效的途径。此外，在该基金的资助下，本课题组还在基于嵌段共聚物自组装调控杂化本体异质结微观形貌、功能化聚合物配体修饰无机半导体纳米晶及其在杂化太阳能中的应用，以及聚合物太阳能电池电子缓冲层优化、有机/无机杂化钙钛矿太阳能电池等方面进行了初步的探索性研究工作。