分子和聚集态微纳米结构的调控及其光电响应机制的研究

有机聚合物薄膜的微纳米结构是决定光伏器件特性的重要因素之一。本课题将采用具有分子取向和结构有序度可控的光电功能高分子材料制备薄膜器件，通过研究器件的光电子特性和材料物理性质来揭示其制约光电转化的物理机制。课题将从制备具有微纳米结构有序和分子取向可控的光电功能有机大分子或聚合物材料、优化设计具有组装特性、一定给/受体特性、光学特性和电学特性的有机高分子材料；研究薄膜有序性及其分子取向的控制方法；研究不同材料、不同结构、特别是微纳米结构的有序性和分子取向与微观界面势垒的形成、载流子的分离、载流子的传输、以及最终的光电响应特性的关系，探寻其中的规律性；从微观到宏观研究体相和界面分子取向的改变对器件的光伏响应的影响，将实验与理论结合，从有机/聚合物材料物理角度揭示制约有机光伏响应及器件效率的实质问题，探索提高器件转化率的有效方法。

本项目研究并合成了一系列新型盘状大分子有机电子学材料：研究过程中，首先发现了一种“类Scholl”化学反应：该反应可以从苯的邻二烷氧基取代分子出发，一步完成三苯并环同时水解，直接合成单羟基五烷氧基取代的苯并菲衍生物，产率高达65%，该产率远高于国际上报道的最高25% 的水平，且其合成方法极其简单，这为苯并菲盘状液晶材料的大规模合成、以及其更广泛的应用研究、走向实用化迈出了重要一步；研究还发现了新型氧化并环合成氮杂苯并菲的化学反应，首次合成出新型给受体型(D-A-D)氮杂苯并菲共轭二聚体；首次采用亚硝酸钠和三氟乙酸混合物氧化1,4-二甲氧基苯并菲，合成了新型苯并菲-1,4-二醌衍生物；首次合成了一系列富含氢键的苯并菲衍生物，包括苯酰胺桥接苯并菲、苯并菲对二聚体、间二聚体、均三聚体衍生物等；首次合成了新型胸腺嘧啶桥接苯并菲二聚体；以及具发光性能的苝桥链接的新型给受体盘状液晶材料。在此基础上，研究了间隔基、侧链等的变化对液晶性及光电子性能的影响。. 本项目研究了大分子材料的分子取向调控方法以及微纳米结构：采用阶梯温度调控方法，验证了盘状分子在单基片表面的生长机制，首次获得了一种新型具电子传输性能的盘状蒽醌衍生物在单基片表面的大面积垂直分子取向，并将取向后薄膜的电子迁移率提高了两个数量级；采用二氧化钛纳米管阵列作为模板，成功实现了将易于侧边取向的盘状分子材料生长成为垂直分子取向排列；此外还详细研究了聚3-己基噻吩的结晶结构，发现在其结晶体系中存在高温相和低温相，二者规整度不同且相互贯穿，实验证明了等温结晶有助于高温相和低温相的相分离。. 本项目研究了一系列新型光电子器件的制备及其物理机制：研究首次发现并提出在聚合物电致发光器件的发光层中掺入不发光的盘状分子酞菁铜可以起到空穴陷阱的作用，以俘获过剩载流子、平衡传输、抑制漏电，从而可以使得聚合物母体的发光增强；研究了聚合物光伏电池中给受体间的电荷转移问题，修正了采用稳态光谱分析激子猝灭效率的简便方法，并用于器件响应预测，获得吻合的结果；研究了新型碘化铅甲胺钙钛矿太阳能电池中的回滞现象，提出导致回滞的原因是晶体中存在离子传导，而非文献报道的铁电，在此基础上很好地解释了器件性能；研究了有机分子或聚合物与非晶硅杂化的光伏器件，成功制备了结构稳定的高分子/非晶硅杂化薄膜太阳能电池，并获得国际最高效率4.7%