Разработка и исследование тонкопленочных материалов на основе производных порфирина push-pull типа и их гетероструктур с квантовыми точками для создания эффективных фотовольтаических устройств

Представленное исследование посвящено получению тонкопленочных наноматериалов с контролируемой супрамолекулярной структурой на основе низкомолекулярных органических дискотических производных порфирина (гомозамещенных и push-pull типа), а также их гетероструктур с квантовыми точками, перспективных для применения в наноэлектронных устройствах с улучшенными характеристиками. Исследование имеет целью оптимизацию физико-химических свойств тонкопленочных наноматериалов на основе производных порфирина несимметричного строения, содержащих донорные и акцепторные заместители в структуре одной молекулы, посредством определения взаимосвязи между строением используемых органических соединений, методами получения, структурой и свойствами создаваемых тонких пленок. Эта цель связана с задачей создания эффективных фотовольтаических устройств на основе низкомолекулярных органических красителей и их гетероструктур с неорганическими наночастицами, и предполагает использование полученных результатов в качестве основы для разработки новых высокоэффективных устройств оптоэлектроники. Актуальность представленной работы определяется тем, что получение новых тонкопленочных органических материалов с контролируемой структурой и заданными свойствами является важной фундаментальной задачей, имеющей большое практическое значение. В настоящее время необходимость перехода от дорогих и сложных в производстве кремниевых элементов наноэлектроники к более дешевым и технологичным органическим материалам становится особенно актуальной. Одними из перспективных органических материалов являются низкомолекулярные донорно-акцепторные соединения на базе органических красителей. Использованием таких соединений можно достичь высокой степени эффективности преобразования света. Совмещение в одной молекуле донорных и акцепторных групп (push-pull тип) создает уникальные условия формирования внутримолекулярных комплексов с переносом заряда, что может придать необходимые свойства данным соединениям в тонких пленках. Дополнительные возможности по регулированию свойств открываются путем вариации внешнего акцептора электронов (фуллерена С60) в структуре материала, включением неорганических наночастиц, в частности квантовых точек (металлических и полупроводниковых). Важным вопросом при реализации нового поколения молекулярных устройств является также получение супрамолекулярных структур с регулярной молекулярной упаковкой. Для решения этого вопроса необходимо проводить исследование влияния химического строения веществ, на основе которых они получаются, и условий формирования плавающих слоев на структуру и свойства полученных тонкопленочных наноматериалов. В данном проекте это предполагается осуществить путем проведения комплекса экспериментальных и теоретических (вычислительных) исследований. Научная новизна исследования определяется тем, что его объектами являются родственные хлорофиллу замещенные производные порфирина, в том числе несимметричного строения, с донорными и акцепторными функциональными группами в одной молекуле. Совмещение в одной молекуле донорных и акцепторных групп создает условия формирования внутримолекулярных комплексов с переносом заряда, что может придать уникальные свойства (например, мезоморфные) данным соединениям в объеме и в тонких пленках. Кроме того, ряд запланированных для исследования соединений может обладает способностью стекловаться с сохранением структуры мезофазы, что важно для увеличения одномерной проводимости в тонкопленочных материалах. Дополнительные возможности для эффективного переноса заряда и повышения светособирающей способности тонкопленочных материалов открываются при создании гетероструктур с квантовыми точками и углеродными наночастицами (внешними акцепторами электронов). Включение в структуру тонкопленочных наноматериалов квантовых точек создаст дополнительное поглощение и направленное испускание в активный слой органического красителя, что позволит увеличить эффективность преобразования солнечной энергии в электрическую, расширит диапазон поглощения видимой части спектра в сторону ближней ИК-области, что должно способствовать повышению эффективности фотовольтаических устройств на их основе. Таким образом, новизна наших исследований заключается в том, что при использовании производных порфирина push-pull типа планируется достигнуть увеличения эффективности не за счет усложнения их молекулярной структуры, а за счет применения металлических и полупроводниковых квантовых точек в структуре упорядоченного слоя тонкопленочного материала.