[发明专利]一种仿生蜂窝状大孔有序结构给受体半导体聚合物薄膜、制备方法及其应用

说明书

一种仿生蜂窝状大孔有序结构给受体半导体聚合物薄膜、制备方法及其在光电转换方面的应用，属于高分子纳米结构及能量存储与转换技术领域。本发明所采用的半导体聚合物具有给受体结构，使其吸收光谱覆盖大部分可见光区域。本发明采用水面扩展法，在水面自组装形成的仿生蜂窝状大孔薄膜。本发明的薄膜具有大范围的有序仿生蜂窝状大孔结构，可以有效的增加入射光在膜内的漫反射，增强光能利用；同时增加了薄膜与电解质的接触面积；给受体分子结构有利于电荷在膜内传递，从而提高了光能转换为电能的转换效率。与其没有结构的平滑膜相比，仿生蜂窝状大孔膜的光电流比零偏压下的平滑膜的光电流高十倍，有希望成为聚合物太阳能电池中实际应用的材料。

技术领域

本发明属于高分子纳米结构及能量存储与转换技术领域，具体涉及一种仿生蜂窝状大孔有序结构给受体半导体聚合物薄膜、制备方法及其在光电转换方面的应用。

背景技术

经济的发展导致能源消费量持续增长，能源短缺和环境问题是伴随经济快速发展所必然要面对的问题。目前世界各国都面临着能源持续短缺和环境不断恶化的双重压力。为了经济的可持续发展，实现可再生资源的持续利用是一个有效途径。光电转换材料在基础研究和工业领域都受到越来越多的关注，在材料科学领域，聚合物材料从其诞生开始，就一直是普遍青睐的材料。聚合物材料的门类非常丰富，应用领域也非常广泛，其中有机半导体聚合物材料由于其特殊半导体特性，在各种光电器件中都有多样的应用，例如有机发光二极管(OLED)，有机场效应晶体管(OFET)和有机太阳能电池(OSC)等。通常情况下，有机半导体器件的性能跟所使用的材料的分子结构具有很大的关联。在现代合成化学的显著进步的背景下，科学家已经发展了多种具有-共轭结构的聚合物分子。这类聚合物分子还有非常好的消光系数、离域电子和光电性能。随着研究的深入，科学家希望通过宽吸收和窄带隙半导体聚合物的设计与合成提高光电转换的效率。Jong-Cheol Lee(ACSAppl.Mater.Inter.2017,9,12617-12628.)等人设计了一种具有供体-受体(D-A)结构交替共轭聚合物，通过给受体集团的可调谐性，可以调整包括聚合物的吸收带、分子能级和载流子迁移率等。可见发展新型的给受体分子，是提高光电转换效率的一个有效途径。

一般认为，影响光电转换效率的主要因素包括光捕获效率，能带宽度，电子-空穴分离效率和电子运输速率等。针对这几个影响因素，科研人员提出了很多种解决方案，其中通过纳米结构降低反射，提高光能利用效率是其中一个研究热点。近年来，已有报道利用构造有序的纳米结构来减少反射的方法来增加光能的利用，例如：纳米压印光刻和电子束蚀刻(Nano Letters 2013,13,5329-5335)，胶体沉积/光刻(Langmuir 2014,30,10481-10486.)，嵌段共聚物辅助胶体组装(Nanoscale 2014,6,7576-7584.)以及层层自组装方法(Energy&Environmental Science 2011,4,3930-3941)等。通过以上分析可见，科学家通过构筑不同的纳米结构，提高电极的光能捕获效率是提高光电转换效率的一种有效途径。但是这些研究还远远不能满足工业生产的需求。