有机半导体/无机纳晶杂化材料的界面控制及光电性质研究

Due to the poor performance of organic/inorganic hybrid photovoltaic, photoelectric devices, this project is proposed to design and synthesize new type of organic/inorganic hybrid optoelectric materials with high photoelectric conversion efficiency, that is donor-acceptor type organic/inorganic hybrid materials. Donor-acceptor type organic semiconductor with different energy levels orbits are designed and synthesized, which matching the energy level of inorganic nanocrystals.The interface control of organic/inorganic hybrid optoelectric materials is realized through the energy level regulation between donor-acceptor type organic semiconductor and inorganic nanocrystal materials, the layer numbers of organic molecules on the surface of inorganic nanocrystal and the spatial distance between organic molecules and inorganic nanocrystals. The dissociation efficiency of interface exciton is expected to be improved. Research on the inherent relationship between the interface effect in organic/inorganic hybrid materials and the efficiency of photovoltaic and photoelectric devices, which can provide theoretical basis for the design and construction high efficiency photovoltaic, photoelectric devices.

本课题针对目前有机无机杂化材料光伏、光电器件性能低下的现状，旨在设计合成新型的具有高光电转化效率的有机无机杂化光电材料即给受体型有机半导体/无机纳晶杂化材料体系。通过设计合成具有不同能级轨道的给受体型有机半导体，与无机半导体材料进行能级匹配，并通过改变无机纳晶材料表面修饰的有机分子的层数及有机半导体分子和无机纳晶之间的空间距离，来实现对有机无机杂化材料的界面控制，从而提高界面激子的解离效率。探究有机无机杂化材料中界面效应与光电、光伏器件效率之间的内在关系，从而为设计高效率的光电、光伏器件提供理论依据。

本项目选取噻吩衍生物以及喹吖啶酮（QA）的衍生物作为电子给体材料。选取具有强吸电子性质的苝酰亚胺(PDI)，吡咯并吡咯二酮(DPP)的衍生物作为电子受体材料，在PDI，DPP的内酰胺结构上引入羧酸官能团。此外，在给受体分子上修饰长烷基链来改善目标分子的溶解度。在液相中通过自组装的方法将给受体型有机小分子键合到无机纳晶（ZnO，还原氧化石墨烯）的表面上，得到了几种不同的p-型给体/n-型受体/无机纳晶杂化材料的模型体系，来实现对有机无机杂化材料的界面调控，从而提高激子的解离效率。在此模型体系基础上，将给体材料用p-型聚合物进行替换，与n-型有机分子修饰的无机纳晶材料进行共混，得到了给体聚合物/界面修饰层/无机纳晶三元杂化体系，实现了对薄膜材料界面的能级调控，提高了束缚态激子的解离效率，其可见光响应值达到了28.7 A•W-1，开光比为217。. 通过对有机/无机两相界面进行修饰，两相界面接触得到了改善，激子在两相界面有效分离，从而减少了电子与空穴的复合几率。同时通过界面修饰，使得无机纳晶表面缺陷减少，也提高了电子传输效率。结合光电器件的性能测试，探索了材料组成、界面结构、微观物化过程和宏观器件效率之间的关联，为设计高效率的光电、光伏器件提供理论依据。