氧化物纳米阵列/共轭聚合物复合材料的制备及光电性能研究

以有机-无机复合薄膜材料为基础的固态太阳能电池器件很难达到理想中较高的光电转换效率。本项目拟从氧化物阵列结构的设计合成及其与端基化的共轭聚合物之间的化学相互作用形成体相异质结两个层面上解决载流子的传输和界面的失配问题，从而提高太阳能电池器件的光电转换性能。主要内容包括：（1）在导电玻璃上通过溶剂热技术实现氧化物纳米阵列的制备；（2）在氧化物纳米阵列的制备体系中，加入端基化的共轭聚合物，实现氧化物纳米阵列/共轭聚合物复合薄膜的原位制备；（3）复合薄膜的光电转换性能及其复合机理研究。氧化物纳米晶阵列与共轭聚合物体相异质结的形成，可以有效地增大激子的分离界面，改善共轭聚合物与氧化物晶体之间的相溶性。该研究对于开展合成有机-无机体相异质结复合材料并提高其作为太阳能电池材料的光电转换效率具有重要的研究意义。

有机/无机混合型太阳能电池因综合了有机材料和无机材料的优点而倍受研究者的关注，如何进一步提高其光电转换效率是该系列材料研究的瓶颈与难点。课题组采用简单的湿化学原位合成方法，深入研究了导电基底（ITO、FTO等）上微纳米结构氧化物阵列（SnO2、TiO2、ZnO、AgO等）以及硫族化合物（CdSe、Bi2S3、PbS、Ag2S等）半导体薄膜材料的合成、反应机理、以及与共轭聚合物的复合。特别是在ITO导电玻璃表面实现了这些薄膜材料（纳米晶阵列）的原位合成，并使其与P3HT、MEH-PPV等共轭聚合物复合并组装成了ITO/SnO2:P3HT/Al等多种杂化薄膜太阳能电池器件，测试了相应的光电转换性能。通过降低反应温度、优化实验条件等改进手段，这类杂化薄膜光电转换器件的效率得到了一定的提高。本项目通过一步原位合成的方法在导电基底上直接获得氧化物纳米晶阵列，薄膜纯度高，且与基底结合更为牢固，简化了太阳能电池器件的组装工艺。同以往单纯的旋转涂膜方法相比，纳米晶阵列能与共轭聚合物形成更均匀的网络互穿结构，具有更高的化学和机械稳定性。此外，我们还采用了低温气固合成方法在ITO基底上原位合成了Ag2O/Bi2O3 复合薄膜，结果表明Bi2O3-Ag2O复合薄膜的光电流密度比单独的Bi2O3薄膜的光电流密度高出一个数量级，说明p-n 结的形成有助于电子-空穴对的分离，从而显著增大了光电流密度。通过该项目的研究，我们阐明了在导电基底上纳米化的单质金属表面与在溶剂热条件下合成氧化物纳米薄膜阵列的作用机理，并初步验证了这类反应在基于这种新型太阳能电池材料的体相异质结太阳能电池器件及领域中的应用。