石墨烯量子点增强染料敏化的机制在氧化物超长一维阵列中的应用

传统染料敏化太阳能电池的光敏化是基于不导电的染料单分子层吸附到光阳极表面，这种单分子层的界面结构给光阳极和染料的设计与制备带来诸多挑战。本项目设计了一种新的界面结构，即在光阳极和染料之间组装由宽带隙石墨烯量子点组成的高导电缓冲层，其中的量子点与任何染料都存在强的π-π作用，形成三明治结构的电子给受体，而且量子点的电子结构宽范围可调，光电子进入量子点后可再注入到光阳极。这种结构突破了传统染料敏化太阳能电池的染料吸附模式以及电子注入模式，并被应用于由超长二氧化钛纳米管阵列或氧化锌纳米线阵列组成的光阳极体系，其中的二氧化钛纳米管阵列被发现具有沿c轴取向晶化的特性，因而具有超长电子扩散长度（数百微米）和超高粗糙系数（数千）。通过超长一维纳米结构和超小石墨烯量子点的制备与组装的研究，有望自主研发出光电转换效率超过11%、环保、低成本的新型光伏器件，从而提升我国在光电材料和器件研究领域内的核心竞争力。

探索综合性能优异的光电转换材料是光电材料与器件的前沿领域。石墨烯量子点作为新的光电转换材料具有石墨烯的高效电子转移特性、高稳定性、高比表面积、易功能化、环境友好等优点，又结合了传统量子点的光物理的可调性和增强的光活性，不仅在生物成像、传感中被广泛应用，而且在光电转换器件中扮演着重要角色。然而，目前发展的制备技术均难精确调控其尺寸和功能化，成为制约光电应用的瓶颈。本项目在石墨烯量子点的可控合成、光学性质调控、发光机理、多种技术应用上开展了系统研究，取得了丰富的研究结果，部分成果在自然子刊等著名期刊上发表，受到了国际同行的广泛关注，并于2015年获得了上海市自然科学奖一等奖。主要成果如下：1）开展了石墨烯量子点的单粒子发光性质研究，发现了不同于传统量子点的非间歇发光行为、多层比单层结构荧光更明亮的特性，并提出了缺陷发光和团簇发光并存的发光机制，成果发表在ACS Nano上；2）首创了一种简单、绿色的水相分子融合法，能在分子水平和工业规模上控制石墨烯量子点的生长，量子点表现出优异光学性质，成果发表在自然子刊Nature Communications 上；3）针对光电器件应用，发展了有机相的分子融合法，合成了高质量的窄带隙石墨烯量子点，能稳定分散在多种有机溶剂中，可发出明亮的黄、橙、红荧光，发光效率可达60%以上，初步展示了在半导体白光照明应用中的潜力，如将黄色荧光量子点涂覆到蓝光LED芯片上，可获得明亮的白光，显色指数（85以上）优于主流的稀土荧光粉白光LED，且色坐标（0.33，0.33）与理想白光一致；4）针对石墨烯量子点对二氧化钛的光敏化效应，提出了单分散面异质结概念，催化机理图被ACS Sustainable Chemistry & Engineering期刊选为封面；5）以染料敏化太阳能电池对电极为模型，以氮掺杂石墨烯量子点为催化单元，以一维碳管、二维石墨烯片及三维碳布为结构支撑和电子传输单元，构筑了数种三维碳分级结构，调控其表界面特性，揭示了电催化活性与碳电极微结构之间的关联，并阐明了各组装单元协同催化的物化机制；6）在分子水平上阐明了二氧化钛纳米管阵列取向晶化的物化机制，并通过纳米管壁的纳米粗糙化实现对染料分子的高效吸附，改进了二氧化钛纳米管阵列的光电转换性能。这些成果对于发展有自主知识产权、综合性能优异的有机光电转换材料新体系有重要意义。