[00131612]基于新型碳基量子点增强聚合物太阳能电池性能及其机制的研究

1、课题来源与背景 课题来源国家基金委。背景：基于共轭聚合物和富勒烯复合体系的聚合物太阳能电池（PSCs）由于其制备成本低、适于大面积及柔性器件的制备而发展迅速,因而成为能够实现太阳能电池大规模应用的最具发展潜力的一类太阳能电池,然而聚合物太阳能电池的工业应用需要更进一步提高其能量转换效率（PCE）。制备高效的聚合物太阳能电池需要系统考虑以下三个方面：材料设计,形貌控制,界面调控。近年来,有关提高聚合物光伏器件性能的新材料、新工艺方法、新界面层的研究不断取得突破,相关学术研究成果陆续在国际顶尖刊物上发表。从光电转换的物理机制出发进一步探讨提高器件效率的研究势在必行,这对设计新型高效的聚合物光伏材料与器件、促进聚合物器件的工业化具有重要意义。 2、研究目的与意义 本项目对表面功能化碳基量子点的光学电学新效应进行研究,并将其应用于聚合物太阳能电池中,研究其对器件物理、器件界面的影响因素、功能化碳基量子点增强器件性能机理及作用模式。一方面通过调控碳基量子点的尺寸并对碳基量子的表面功能化,调控碳基量子点的光学和电学性质,优化聚合物光伏器件的性能;另一方面揭示碳基量子点聚合物光伏器件体系激子、声子以及光子等基本量子之间的耦合和转化机制,理解相关体系激子的产生、传输、分离及收集机理,通过研究碳基量子点对聚合物光伏器件进行界面修饰及活性层共混的物理化学机制,控制器件界面形貌、电学特性、活性层形貌以及对光吸收效率,促进碳基量子点新效应在聚合物光伏器件中的应用。 3、主要论点和论据 （1）针对碳基量子点光学和电学特性的调控,通过调控碳基量子点的尺寸效应以及表面态,即表面缺陷和能量势阱,系统研究碳基量子点的多光子效应、形貌和表面电子结构、光和粗糙表面的相互作用,最终拓宽其激发光谱并可进行多元激发,加快电子转移速率,从而应用于聚合物光伏器件。 （2）针对碳基量子点聚合物光伏器件对光利用率、界面接触及能级、活性层形貌的调控,研究聚合物光伏器件中光、碳基量子点和聚合物分子的相互作用,器件界面性能、碳基量子点与界面层的相互作用,共轭聚合物在碳基量子点表面的取向、成键作用,激子的产生与分离、载流子的迁移与提取,结合激子、聚合物分子和碳基量子点三者的相互作用,揭示碳基量子点聚合物光伏器件体系激子、声子以及光子等基本量子之间的耦合和转化机制,关联碳基聚合物光伏器件的性能参数,促进碳基量子点在聚合物光伏器件的应用,为提高聚合物光伏器件光电转换效率提供新方法。 4、创见与创新 （1）根据碳基量子点的特性,当其粒径、表面状态发生改变时,其光学、电学特性也将发生变化,通过调控碳基量子点的光电性质,增加聚合物光伏器件对光的利用率,通过对光伏器件界面的调控改善界面接触、优化界面势垒、促进载流子迁移和提取,从而提高聚合物光伏器件的性能。这一思路具有明显的新颖性和创新性。 （2）通过系统研究碳基量子点-光电材料体系光谱的影响因素,构建其光谱特征与界面性质、聚合物结构、给体/受体相分离程度以及光伏器件特性参数之间的关系,阐明碳基量子点优化聚合物光伏器件的机理,为制备高效的聚合物光伏器件提供科学依据和理论指导。这是本项目另一个特色和创新之处。 5、社会经济效益、存在的问题 本项目合成的碳基量子点可一锅法、短时间（微波法七分钟）、大量（视容器和反应器的容量而定）合成,且该量子点作为界面修饰材料具有环境友好、性能稳定等特点,具有潜在的应用前景。 6、历年获奖情况 暂无 7、成果简介 通过本项目的资助,项目负责人以第一作者在国际学术期刊发表SCI 论文4篇,其中一区论文2 篇,影响因子大于10 的论文1 篇,被引次数共计42 次,申请发明专利2 项,培养博士后1 名、博士研究生1 名、硕士研究生3 名,其中3名已出站/毕业并获得学位。