有机/无机复合半导体材料兼具有机材料的设计多样性、易加工和无机材料的高迁移率、高稳定性等优点,成为对国家信息和能源未来发展起关键作用的材料之一。本项目组织跨化学、材料、半导体、电子物理等学科的、老中青相结合的研究队伍,以优势互补为原则,设立五个研究课题,开拓创新性研究思路,即以有机/无机复合半导体材料为研究平台,借助纳米技术与组装技术,通过大跨度多学科的交叉,研究复合半导体材料的分子设计与简易制备方法;以调控复合材料聚集态微结构和界面电子结构为目标,着重研究复合半导体材料中的载流子输运与能量传递的机制,揭示复合半导体材料的复合原理和协同增强机理,力争在载流子传输与复合等基础理论上有重要创新;实施材料器件一体化设计,制备出高性能的薄膜晶体管和太阳能电池,达到复合半导体材料迁移率高于8 cm^2/V.s、复合半导体层的光电转换效率超过6%的目标。
organic/inorganic hybrid;semiconducting materials;thin-film transistor;solar cells;
四年来,本项目围绕有机/无机复合半导体制备方法、复合半导体材料中的载流子输运与能量转化机制以及高性能薄膜晶体管和太阳能电池设计等课题开展了深入的研究。制备了基于有机金属化合物前驱体的ZTO的氧化物薄膜晶体管,其迁移率达到170cm2/Vs,远高于国际同类器件迁移率;合成了基于分子层次有机/无机杂化的晶体材料,其理论迁移率达到546.9 cm2/Vs,为高迁移率有机/无机杂化半导体材料的设计指明了方向;研究了互穿网络结构的有机/无机复合半导体,在P3HT-SnO2复合半导体中,首次观察到有机和无机组份间的“正复合效应”,获得了高达15.6cm2/Vs的迁移率,为目前有机/无机复合半导体迁移率的最高记录。开展了新型窄带隙共轭聚合物以及小分子给体的设计与合成,发展了多系列聚合物光伏电池的新型醇/水溶性阴极界面修饰材料,构筑了新型结构高效率光伏器件,分别在2011和2012年获得了正装和倒装两种器件结构的国际最高效率(8.37%和9.21%)。提出在体异质结中引入金属等离激元,增强有源层的光吸收,等离激元属于近场作用,导致其增强光吸收效应是局域化的,而体异质结结构充分发挥了等离激元的近场增强作用。利用Au纳米粒子等离激元的近场增强作用提高光吸收,获得光电转换效率为7.5%的复合太阳电池。在有机无机复合半导体界面电子过程、有机掺杂半导体载流子输运机理和有机半导体迁移率理论计算等基础理论研究方面取得了一系列原创性的成果。对有机小分子半导体的载流子传输开展了一系列的理论计算研究,提出了设计合成双极性有机小分子半导体的新策略;研究了复合可能引入的薄膜位置无序、混合浓度及陷阱深度对有机半导体电荷传输的影响;揭示了位置无序增大有利于提高迁移率,有机半导体中迁移率随浓度变化符合渗透理论,并首次定量地研究了深浅陷阱对迁移率的不同影响。在Nature Photonics等SCI收录期刊上发表标注资助论文285篇,申请发明专利87项(国际10项),获授权发明专利54项(国际2项)。有三篇论文分别入选10、11、12年度“中国百篇最具影响国际学术论文”,Nature Photonics论文入选2012中国科学十大进展。获国家技术发明一等奖一项。项目负责人邱勇教授2013年当选中国科学院院士。有3名本课题研究人员获得国际杰出青年科学基金资助。