光敏金屬有機框架材料薄膜的組裝和光電轉換

《光敏金屬有機框架材料薄膜的組裝和光電轉換》是依託同濟大學，由費泓涵擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：光敏金屬有機框架材料薄膜的組裝和光電轉換
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：費泓涵
• 依託單位：同濟大學

中文摘要

圍繞當前可持續能源的日益遞增，針對傳統染料敏化太陽能電池存在的光敏基團無序、成鍵弱與比例低的問題，本項目擬製備具有高穩定性的金屬有機骨架材料(Metal-Organic Frameworks，簡稱為MOFs)，在晶態雜化框架結構中組裝氧化鈦金屬簇基團和光敏染料功能團，篩選鍍膜工藝實現以透明導電玻璃為基底的MOFs薄膜，構建以MOFs作為主體材料的太陽能電池光電陽極，組裝含電解質的太陽能電池完整器件並表征其光伏性能，實現染料敏化太陽能電池中光敏組分的規則排列，揭示MOFs晶格內部以及界面間的電荷傳遞。本項目集MOFs的合成可控性與高度有序晶格的優點，拓展MOFs材料在光電領域的新套用，提出低成本和簡單合成工藝的新型染料敏化太陽能電池，為自組裝無機有機雜化材料的電荷傳導提供系統的實驗研究和理論依據。

結題摘要

圍繞當前可持續能源的日益遞增，針對傳統染料敏化太陽能電池存在的光敏基團無序、成鍵弱與比例低的問題，本項目圍繞光敏金屬有機框架材料（Metal-Organic Frameworks，簡稱為MOFs）薄膜在光電轉換的套用展開。迄今為止，無法實現具有光電轉換性能的MOFs主要受限於三個原因，分別是具有半導體特性的MOFs為數不多且禁頻寬度無法調控；MOFs的電子傳導能力較弱和不具備普適的MOFs鍍膜手段。針對這些問題，本項目從高穩定性的光敏MOFs晶態材料的設計合成、建立普適的晶態MOFs鍍膜方法和提升MOFs的離子傳導性能三個方面著手，為構建MOFs基光電轉化器件提供了良好的平台。首先，本項目研製了一系列具有優異光電性能且化學/光熱穩定性出色的光敏MOFs晶態材料，並通過密度泛函理論計算和變溫光物理表征手段確認其可調控的半導體禁頻寬度和激子束縛能。 其次，本項目通過交錯堆積緻密二氧化鈦薄膜和自組裝多羧酸單分子膜，建立了一種在透明導電玻璃基底上普適的MOFs鍍膜方法，成功拓展到四類具有不同金屬中心且不同拓撲結構的羧酸基MOF材料。最後，利用MOFs中金屬-羧酸配位鍵的動態特性實現了MOFs的剝層化學和一類單原子厚度的MOFs納米片，大幅提升了MOFs的導電性；並以有機磺酸取代傳統羧酸配體構建具有金屬-配體缺失連線的三維多孔MOFs，提升了MOFs的質子傳導能力。這些研究工作集MOFs晶態材料的合成、修飾與組裝於一體，為拓展MOFs材料在光電領域的新套用提供了系統的實驗研究和理論依據。