钛氧簇取代型多金属氧酸盐的合成及其光电转换性能研究

Inorganic solid-state materials play an important role in application of energy source. In particular, the practical application of low-cost and high performance solar cells urgently require the development of inorganic semiconductor materials. polyoxometalates (POM), a type of metal-oxo cluster framework anions containing transition metals of molybdenum, tungsten and vanadium, have similar energy bands to metal oxide semiconductor. Polyoxotitanates containing alkoxides (titanium oxo-clusters) are potential molecular analogues of TiO2 nanoparticles. This project deals with the research on the synthesis of POM-based titanium oxo-clusters and the exploration of the new synthesis method, considering the combination of the titanium oxo-clusters with POM. The relationship of the composition and structure with the light-to-electric conversion performance of POM-based titanium oxo-clusters could be established by investigation of the composition, structure, semiconductor property and light-to-electric conversion performance. To investigate the light-to-electric conversion performance of POM-based titanium oxo-clusters, the devices of the perovskite solar cell and the photodetector are constructed by using POM-based titanium oxo-clusters as functional components. These cross-research results of inorganic chemistry and physical chemistry will be of theoretical and practical significance for the development of practical application of solar cells.

无机固体材料在能源领域应用上扮演了极其重要的角色。尤其是，实现低成本、高性能太阳能电池的实际应用迫切地需要无机半导体材料的发展。多金属氧酸盐是一类骨架结构中含Mo、W、V等过渡元素的多金属氧簇阴离子，具有与金属氧化物半导体类似的能带结构。烷氧基桥联型多钛氧酸盐是潜在的TiO2纳米粒子的分子型类似物。本项目从烷氧基桥联型多钛氧酸盐和多酸相结合的合成思路入手，开展新型钛氧簇多酸的合成和新合成方法的探索，研究考察新型钛氧簇多酸的化学组成、固体结构、半导体特性和光电转换性能，揭示钛氧簇多酸的组成、结构和光电转换性质的构效关系。利用所合成产物作为固态钙钛矿太阳能电池器件的界面修饰层及其作为光电检测器的功能组分，以此来研究新型钛氧簇多酸的光电转换性能。这些无机化学和物理化学交叉领域的研究结果对发展钛氧簇多酸在太阳能电池中的实际应用具有重要的理论和实际意义。

无机固体材料化学在当代科技和社会发展中占据着非常重要的地位，在能源、信息和环境等热点领域应用上扮演了极其重要的角色。尤其是，太阳能作为一种绿色清洁的可再生能源，具有其它能源所不可比拟的优势。因此，现代社会在太阳能源利用方面对光电转换材料的迫切需求也极大地推动了新型无机半导体材料的发展。本项目开展了新型钛氧簇多金属氧酸盐（多酸）的合成和新合成方法的探索，研究开发基于缺位杂多钼酸盐阴离子钛氧簇化合物的合成，以解决钛氧簇杂多钼酸盐合成化学中的科学问题。利用先进测试手段进行充分的表征，确定了新型钛氧簇多酸的化学组成、固体结构、半导体特性和光电转换性能。研究考察多酸作为界面修饰层组分在固态钙钛矿太阳能电池器件中的应用。在本项目中，通过尝试不同的合成方法，解决了在水溶液中钛氧簇杂多钼酸盐高度不稳定的难题，首次合成出水溶性的钛氧簇杂多钼酸盐，并且确定了它们的化学组成和晶体结构，研究考察了所合成新型钛氧簇多酸的半导体特性和光电转换性能。特别是，合成出迄今最大的钛钼氧簇多酸化合物，这个研究结果当属无机合成化学的一个新突破。此外，利用所合成钛氧簇多酸的半导体性质，研究了它们在光催化和光电化学传感检测方面的应用探索。考虑到固体钙钛矿太阳能电池的实际应用意义，还研究了多酸/SnO2复合材料作为电子传输层对固体钙钛矿太阳能电池光伏性能的促进作用，揭示了其作用机理。总之，本项目的研究结果不仅实现了成功合成出水溶性钛氧簇杂多钼酸盐的目的，而且为进一步发展具有优良光电性能的钛氧簇多酸的合成化学提供了设计思路和实验依据。