光電轉(zhuǎn)換高分子材料

1、光電轉(zhuǎn)換高分子材料光電導(dǎo)高分子光電導(dǎo)材料是一種物質(zhì)在光激發(fā)下產(chǎn)生電子、空穴載流子后,在外加電場作用下,電子移向正極,空穴移向負(fù)極,因而在電路中有電流流過,這種現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)。許多高分子材料在暗處,是絕緣體或半導(dǎo)體,但在光照下變成良導(dǎo)體,這就是我們所說的光電導(dǎo)高分子材料。嚴(yán)格地說真正能稱光導(dǎo)材料的物質(zhì),應(yīng)該是指光電流對暗電流的比值(氏/J暗很大的物質(zhì),即發(fā)生載流子的量子效率高,壽命長,載流子遷移率大的物質(zhì)。物質(zhì)光照射激發(fā)后,由于激發(fā)能的轉(zhuǎn)移產(chǎn)生離子對(離子自由基被認(rèn)為是產(chǎn)生載流子的先決條件。在固體的同種分子之間或同種生色基團(tuán)間容易發(fā)生能量轉(zhuǎn)移;在聚合物中激發(fā)能容易沿著高分子鏈在其側(cè)鏈的生色基團(tuán)之

2、間遷移;在高分子膜中,可能同時存在激發(fā)能在分子間及側(cè)鏈生色基團(tuán)之間的遷移。在外加電場作用下,這種由光照激發(fā)而發(fā)生的電子轉(zhuǎn)移形成離子對遷移而發(fā)生光電流.光電導(dǎo)與光電效應(yīng)不同之處在于前者是物體的一種內(nèi)部效應(yīng),即原來被物體晶格束縛的電子,由于不能自由地在晶格中運動,所以導(dǎo)電性不好,但在接受光的能量后,電子就處于“自由狀態(tài)”,在電場作用下產(chǎn)生定向運動而導(dǎo)電;光電效應(yīng)則是光使電子逸出物體表面的一種作用。光電導(dǎo)是半導(dǎo)體的主要特征之一。硫化鎘、硫化鉛、銻化銦等半導(dǎo)體,光電導(dǎo)顯著,因而常用于制造光敏電阻。國內(nèi)在光電磁功能高分子領(lǐng)域,高遷移率高分子材料的設(shè)計與制備、分子結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)和凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)的協(xié)同調(diào)控是重要

3、方向,最近在樹枝狀共軛高分子、可控縮聚或偶聯(lián)聚合方面都取得了重要進(jìn)展。聚合物發(fā)光二極管(PLED器件制備中,在發(fā)光層加入半導(dǎo)體量子點(QDs膠體層,就獲得半導(dǎo)體量子點發(fā)光二極管(QD-LED,與PLED 相比,它具有發(fā)光色純度高(發(fā)光半峰寬窄、發(fā)光顏色可通過控制量子點尺寸大小進(jìn)行調(diào)節(jié)等優(yōu)點。對QD-LED的研究引起了薄膜電致發(fā)光器件和半導(dǎo)體納晶研究工作者的極大關(guān)注。李永舫等28在QD-LED的研究方面取得重要進(jìn)展。他們用具有核殼結(jié)構(gòu)的CdSe/ZnS 和CdSe/CdS/ZnS納晶量子點、聚三苯胺為空穴傳輸層、八羥基喹啉鋁為電子傳輸層,通過調(diào)節(jié)量子點尺寸以及通過器件結(jié)構(gòu)和各層厚度的優(yōu)化,制備了

4、可發(fā)紅、橙、黃、綠4種顏色光的QD-LED器件,其最大亮度分別達(dá)到9064(紅光、3200(橙光、4470(黃光和3700(綠光cd/m2,分別為當(dāng)時文獻(xiàn)報道的各色光QD-LED的最高值。同時,這些QD-LEDs還具有啟亮電壓較低(34 V、效率較高(1.12.8 cd/A、色純度高(電致發(fā)光譜半峰寬30 nm左右和工作壽命較長等優(yōu)點。采用將多種發(fā)光組分通過共價鍵連接,獲得了具有發(fā)射白光功能的單一高分子,即在具有藍(lán)色發(fā)光性能的聚芴主鏈上,嵌入少量發(fā)紅光的組分,在側(cè)基上接少量發(fā)綠光的組分。以此聚合物制備的單層發(fā)光二極管同時發(fā)藍(lán)、綠和紅光因而結(jié)果是發(fā)白光?；谌l(fā)白光聚合物的電致發(fā)光效率以共聚

5、方法遠(yuǎn)比共混效果好很多。由該高分子制成的單層器件的啟亮電壓4.0V、電流效率7.3 cd/A-1、功率效率4.17 lm/W、最大亮度12710 cd/m2和色坐標(biāo)(0.31,0.32,是當(dāng)時國際報道的最高效的三色白光單一高分子熒光單層器件29。此外,從一種主鏈帶有3種發(fā)光重復(fù)單元(PFO, BT, DBT的共軛聚合物制備獲得了高效白光器件。曹鏞等30以PFO-R010-G018共聚物制備的器件經(jīng)150C退火10min,給出了最好的器件性能,其外量子效率為3.84% (ph/el,發(fā)光效率6.20 cd/A,CIE坐標(biāo)(0.35,0.34。而且,在很寬的電壓范圍此聚合物白色發(fā)光色坐標(biāo)保持很穩(wěn)定

6、。由于主鏈上3種發(fā)光鏈段的相互有效分離,從藍(lán)色發(fā)光聚芴到紅色和綠色的能量轉(zhuǎn)移的不完全及從綠色到紅色生色團(tuán)能量轉(zhuǎn)移的受限,導(dǎo)致了3種顏色的發(fā)光,從而給出匹配的紅綠藍(lán)(RGB寬波長范圍、CIE坐標(biāo)理想的白色發(fā)光。美國和韓國學(xué)者合作報道了當(dāng)時光電轉(zhuǎn)換效率最高的可在太陽寬廣譜范圍吸收能量的聚合物太陽能電池34。聚合物太陽能電池因其可以用打印或涂覆技術(shù)在柔性基底大面積制備而倍受關(guān)注,但其能量轉(zhuǎn)換效率局限在5%。為了提高從太陽捕光量,把吸收不同波長的兩種太陽能電池以背靠背連接電池的結(jié)構(gòu)連接起來,以溶液方法制備獲得的太陽能電池效率高達(dá)6.5%,適于價廉方便的工業(yè)化制備,是當(dāng)時有機(jī)材料太陽能電池中效率最高的。

7、此器件由兩個異質(zhì)結(jié)組成,前一個電池是由窄帶隙聚合物/C60復(fù)合體系組成,在近紅外與紫外光區(qū)域有吸收,后面的電池由寬帶隙聚合物/C60復(fù)合體系組成,在可見光區(qū)域有吸收。制作時,以溶膠-凝膠化學(xué)方法制備透明導(dǎo)電的TiO x為電極、兩層空穴傳輸聚合物層構(gòu)成的電池之間通過透明的鈦氧化物和空穴傳輸層(PEDOT:PSS連接,其中鈦氧化物作為第一層電池的電子傳輸層和第二層電池的基底,所得的串聯(lián)電池的開路電壓是各電池之和。傳統(tǒng)的太陽能電池為片狀,利用ITO透明玻璃做電極,需要特殊制備設(shè)備與工藝。大尺寸、角度依賴性、力學(xué)脆性和高成本使其在惡劣條件下于電子系統(tǒng)、日常用品中的應(yīng)用變得非常困難。鄒德春等制備了結(jié)構(gòu)為

8、鋼絲/TiO2/染料/電解質(zhì)/聚偏氟乙烯/Pt的太陽能電池,其中的染料是順-雙(異硫氰根合雙(2,2-二聯(lián)吡啶-4,4-二羧酸基釕(II,電解質(zhì)是LiI/I2/3-甲基-2-噁唑烷酮/乙腈。傳統(tǒng)太陽能電池為平板結(jié)構(gòu),太陽光必須從一個透明電極面進(jìn)入電池內(nèi)部實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換;而且在使用中只能通過拼嵌等方式組成電池組模塊。鄒德春等充分利用納米結(jié)構(gòu)獨特的光學(xué)以及電子學(xué)特性,采用與傳統(tǒng)太陽能電池完全不同的采光模式,成功制備了一維纖維結(jié)構(gòu)以及網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的納米晶柔性太陽能電池。纖維太陽能電池的直徑最小可以達(dá)到50m,具有良好的柔性以及機(jī)械強(qiáng)度,可以進(jìn)一步通過編織形成網(wǎng)、繩等各種形態(tài)的太陽能織物模塊。由于利用了納米

9、結(jié)構(gòu)對光的強(qiáng)散射,電極材料不再需要透明,使電池徹底擺脫了對ITO等透明導(dǎo)電材料的依賴,可以采用導(dǎo)電性、穩(wěn)定性、機(jī)械強(qiáng)度都更優(yōu)良的金屬纖維作為電極基底,有利于改善電池的效率和穩(wěn)定性,同時有望大幅降低電池的成本35,36。Nature Materials的“Research Highlights”欄目和美國化學(xué)學(xué)會網(wǎng)站的“Noteworthy Chemistry”欄目都撰文進(jìn)行了報道進(jìn)行了專門介紹和積極評述。聚乙烯基咔唑(PVK及其衍生物是以大-鍵堆積的超分子有機(jī)半導(dǎo)體(SOS,其分子內(nèi)超分子相互作用導(dǎo)致了半導(dǎo)體性能。通過Friedel-Crafts反應(yīng)對PVK改性獲得帶芴取代基的PVK-PFSOS,進(jìn)而調(diào)控基本電子結(jié)構(gòu)與傳輸性能37。以該聚合物制備的單層ITO/PVK-PF/金屬器件具有很穩(wěn)定的閃存效應(yīng),層狀器件具有穩(wěn)定的閃存記憶效應(yīng),其開關(guān)比為104, 寫/擦電壓為+2.2/-2.0 V,獨特的電雙穩(wěn)態(tài)來自于電場誘導(dǎo)的取向效應(yīng)和芴取代基的空阻效應(yīng),表明此9,9-二芳基芴取代的PVK有