基于吩噻嗪-苯并噻二唑类D-A型共轭共聚物的体异质结可控制备及其对有机/无机杂化太阳电池性能影响的研究

The employment of phenothiazine-benzothiadiazole D-A conjugated copolymers in organic/inorganic hybrid solar cells is a new exploration. It will expand the application of p-type polythiophene derivatives in bulk heterojunction of hybrid solar cells, which is important in scientific significance and practical value. Aiming at the novel bulk heterojunction from conjugated polymers and nanocrytalline TiO2 as research object, providing three new approaches of fabricating bulk heterojunctions. Majoring in the relationship between microstructures of component units and macroscopical performances of the bulk heterojunction, we will conduct research on material design synthesis, structure characterizations, property measurements, and performance evaluation for the bulk heterojunctions. Furthermore, the dependence of composition, structure, and therefore properties on preparation conditions of bulk heterojunctions will be demonstrated, the interaction between conjugated polymers and nanocrystalline TiO2 will be clarified, the relationships between mechanism of interfacial charge transfer and photovoltaic performances will also be elucidated, aiming for the controllable preparation of bulk heterojunctions with well-matched interfaces, structures and energy levels. The scientific problems on materials preparation and device assembly will be solved, along with the design of organic/inorganic hybrid solar cell prototype with excellent photovoltaic properties, which will elevate the self-innovation capability of China in organic/inorganic hybrid solar cells, promoting the development of relevant disciplines.

吩噻嗪-苯并噻二唑类D-A型共轭共聚物应用于有机/无机杂化太阳电池是一项全新的探索，它拓展了p型聚噻吩衍生物在杂化太阳电池的体异质结中的应用，具有重要科学意义和实用价值。本项目以基于D-A型共轭共聚物和纳米晶TiO2的新型体异质结为研究对象，提出新型体异质结研制的三种新思路。以揭示体异质结的组成基元微观结构与体异质结宏观性能关系为主线，通过材料的设计合成、结构表征、性能测定、效能评价，表明体异质结的组成、结构、性能和制备工艺之间的关系，探明共轭共聚物与纳米晶TiO2的相互作用关系，阐明体异质结界面载流子运行机制与电池光电性能之间的关系，实现界面、结构、能级均匹配的体异质结可控制备。解决材料制备和器件组装的科学问题，提供高性能的有机/无机杂化太阳电池样机，提升我国体异质结薄膜材料和有机/无机杂化太阳电池的自主创新能力，推动相关学科的发展。

历经四年的项目研究，我们已设计合成了多种D-A型共轭共聚物作为电子给体，稀土或金属离子修饰TiO2纳米晶作为电子受体材料，形成体异质结复合膜，并将其应用于有机/无机杂化太阳电池，获得高效的电池器件。对体异质结能级、结构、界面等进行了研究，解决了杂化太阳电池器件对光生电荷利用不足的问题，这是一项近乎全新的探索。采用了多种成膜技术可控制备D-A型共轭共聚物/TiO2体异质结，调控其微纳结构参量，获得能级匹配、结构匹配及界面匹配的高性能体异质结薄膜。以定量化的飞秒瞬态吸收光谱技术为手段，探明了体异质结微观结构与光生电荷产生、分离及传输之间的内在联系。揭示了提高电荷利用有效途径和规律，解决了有机/无机杂化太阳电池器件研制的科学技术问题，提供了高效的太阳电池器件，获得了一系列创新性的研究成果。本项目的顺利实施和开展，对推动光电信息学、光电材料学、超快光子学等相关学科的交叉与发展具有重要的意义。在项目实施的这四年时间里，项目负责人以第一或者通讯作者发表JCR二区以上论文32篇，其中JCR一区论文15篇，授权发明专利4项。新增主持国家自然科学基金面上项目一项（11774141）、省杰出青年基金一项（20171BCB23051）、省自然科学基金面上项目（20171BAB202036）及青年项目（20161BAB212035）各一项、省科技重点项目（GJJ160681）一项、省“百人远航工程”人才资助计划等省部级以上项目。此外，本项目的研究成果荣获2017年中国电子学会青年学者优秀论文奖、2016年江西省物理学会优秀论文评选一等奖、2017年教育部高校科研优秀成果（科学技术）二等奖等科技奖项。此外，积极推动科教融合，加强人才培养。2016年指导学生获“挑战杯”全国大学生创业计划大赛全国银奖；2017年指导学生获“互联网+”全国大学生创新创业大赛全国铜奖（第一指导教师）；2017年指导学生获“挑战杯”全国大学生课外学术竞赛全国二等奖等。