卟啉SURMOFs薄膜材料的制备及其光电应用

作     者：田一博 

作者单位：福州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：谷志刚

授予年度：2021年

学科分类：07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 080502[工学-材料学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0702[理学-物理学] 

主      题：卟啉MOFs 液相外延 SURMOFs 光探测 染料敏化太阳能电池 

摘      要：光与电是信息传递与能量交换的重要媒介,基于光电转换原理所制备的光伏太阳能电池、光探测器以及发光二极管（LED）等器件,已经广泛应用并成为国防军工以及日常生活中必不可少的组成部分。同时由于日益增长的生产生活需要,传统的光电器件渐渐难以满足人们对转化效率、探测率以及工作稳定性等指标所提出的更高要求,这也促使科研工作者不断着力去研究、开发新型高性能光电器件。传统的光电材料一般采用无机半导体（如Si、ZnO、SiC、GaN等）或由有机小分子/聚合物所组成。无机半导体材料具有较好的稳定性和耐用性,但是制备工艺复杂,生产成本较高;有机小分子/聚合物光电材料价格相对低廉,能够加工成大面积柔性器件,但是在耐久性以及灵敏度等方面也具有一定的不足。因此开发新型、工艺简单、性能优异的光电材料仍然具有十分重要的意义。金属-有机框架材料（MOFs）作为一种新型无机-有机杂化材料,具有组成单元多样、孔道和配位节点丰富等特点,赋予了其在光电领域极大的应用潜力。在这项工作中,我们创新性的采用液相外延层层组装法（Liquid Phase Epitaxial layer-by-layer,LPE LBL）制备了具有取向的卟啉基表面配位金属-有机框架（SURMOFs）薄膜,并通过结构设计、配位负载等方法改造薄膜性能,开展了卟啉SURMOFs薄膜在光探测器件和染料敏化太阳能电池等光电转化方面的应用探索工作。例如,通过层层组装法制备的新型的In-TCPP薄膜（In-TCPP SURMOFs）,对紫光表现出极佳的探测性能。其具有独特的一维链状的In-O无机簇与取向排列的卟啉分子,在光电导器件结构下,使得基于这一MOFs薄膜制得的光探测器获得30.8 A W的响应度和7.28×10 Jones的紫光探测度,优于当前所报道的大多数无机、有机半导体光探测器,理论计算结果也证实了这一结论。而后本工作第二部分研究了利用SURMOFs薄膜取向生长的优势,引入Pt离子与卟啉中心位点均匀配位,使用氢化还原技术还原金属离子,获得了高分散、有序排列的Pt单原子,使用这一薄膜制得的对电极组装的染料敏化太阳能电池,以极少的Pt含量获得了近似传统Pt对电极的太阳能转化效率（5.48%）,并且由于此复合薄膜具有更好的光透过性,在双面加光测试中获得了8.20%的转化效率,优于Pt对电极6.95%的转化效率。