宽光谱多金属氧酸盐分子光电器件的设计与组装

针对有机物类太阳能敏化材料光（热）稳定性低、与太阳能光谱匹配难的问题，以多金属氧酸盐为主要研究对象，探索具有宽光谱响应性能的无机-有机杂化多金属氧酸盐分子光电器件设计原理和组装方法。通过研究多金属氧酸盐超分子器件中电子给体-共轭分子线路-多电子受体间电荷输运规律和能级匹配关系；分子光电器件组成、结构、空间排布与其光响应性能、光电转化性能、电荷转移性能之间的关系；电子给体-共轭分子线路-多电子受体超分子光电器件中电荷输运性质和能级匹配关系；光生电子-空穴在分子光电器件内部及异质晶界的界面行为及其与材料光电性能的关系以及分子器件光活性机理及其平带电势、能隙大小、整体光电响应性能与分子器件组成和空间结构的关系，提出多金属氧酸盐分子光电器件设计原理与组装方法，构建非钌系光敏材料制备基础理论，设计和组装400-700nm波长范围内具有高光量子效率的光敏材料，为非钌系太阳能电池敏化材料制备奠定基础。

本项目针对有机物类太阳能敏化材料光（热）稳定性低、与太阳能光谱匹配难的问题，以多金属氧酸盐为主要研究对象，应用理论化学计算方法，根据实验结果和文献数据，结合理论化学计算，研究了不同类型多金属氧酸盐（POM）光敏材料的能级分布、前线轨道组成的特点，以及金属离子和非金属掺杂时材料能带迁移规律，提出多金属氧酸盐光敏材料设计的基本规则，预测具有适当M-O-M键角地Keggin 和Dawson结构POM具有良好的光敏性能。根据多金属氧酸盐分步缩聚机理，建立磷钨杂多酸（盐）水热-盐析高效制备新方法。通过能级及空间效应与多金属氧酸根匹配的抗衡离子的筛选，设计并合成了两种Dawson型POM-卟啉类无机-有机杂化物：以钒取代三缺位Dawson型磷钨杂多阴离子和中-四（4-羧基苯基）卟啉（TCPP）为主体，三（羟甲基）氨基甲烷（Tris）为连接体，共价键结合而成的新型杂化物大分子光敏材料。同时，项目研究了与POM光敏材料组装的WO3-x纳米薄膜光阳极的可控制备方法，通过与石墨烯、ZnO微球、TiO2微球复合，构筑了双层结构WO3–x光阳极，改善了光阳极电子传输性能，显著提高了氧化钨基光阳极的光电转换性能。以Zn-卟啉-杂多酸有机-无机杂化POM为光敏材料，以氧化钨/二氧化钛复合薄膜为光阳极，设计组装了氧化钨基有机杂多酸化合物敏化太阳电池，该电池最高效率可达到11.1%，填充因子为71.1%，最大IPCE值可达到87%。本项目以无毒低成本无机-有机复合的多金属氧酸盐分子光电器件替代钌系有机染料敏化剂，利用D-π-A分子器件的系统协同功能拓展材料对太阳光的响应，促进光生电子-空穴分离，建立了非钌系太阳能光电化学池敏化材料设计新理念。项目发表论文13篇，其中国际期刊10篇，申请专利3项，已授权2项。培养硕士生7人。