[发明专利]一种透明有机无机杂化异质结材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于光电器件材料领域，确切地说涉及一种透明有机无机杂化异质结材料及其制备方法。

背景技术

半导体光电器件可以实现光和电的互换而广泛应用于信息、照明、能源等领域，其中常用材料为半导体硅、锗、无机化合物等，可利用界面合金、外延生长、真空淀积等技术制造异质结，具有成本高、工艺复杂、制造过程中的毒性和不易柔性加工等缺点。共轭聚合物具有质量轻、柔性、成本低且可化学修饰调控其性能等优点，可采用溶液旋涂、浇铸等方法大面积成膜，在轻便光电器件应用方面显示出巨大的潜力。聚合物与无机半导体纳米晶复合制备杂化异质结材料可以有效弥补其载流子迁移率、激子辐射率和荧光量子效率低等不足，已成为广泛研究的热点。

聚噻吩类衍生物是一类电荷传输性质和稳定性优良的给体材料，是聚合物太阳能电池材料等光电器件中光活性层的主要用材之一。噻吩衍生物与无机受体材料制备的杂化异质结电池的能量转换效率已达7%以上，目前文献报道中所制备的噻吩衍生物与无机半导体杂化异质结多为物理共混（美国专利7777303、中国专利101029142A、J.Phys.Chem.C,2012,116,3153等），该法不能解决有机无机两相相容的问题，无机纳米晶容易团聚，使得电子的传输受阻，两相之间的相分离也影响了界面处激子的分离与传递，难以充分发挥其光电特性。为解决无机纳米晶材料在共轭聚合物溶液中的分散问题，在共轭聚合物分子链中引入极性官能团可以提高无机纳米晶在共轭聚合物溶液的分散稳定性，有利于界面电荷的分离与传递（如文献J.Am.Chem.Soc.2004,126,6550报道），该类反应条件通常较为苛刻，且极性官能团的引入对有机共轭聚合物的光物理性能及在有机溶剂中的溶解性能等方面存在不利影响。也可以通过对纳米晶表面有机化改性可以提高纳米晶的分散性与稳定性，但在光电器件中也成为一层绝缘层阻碍了给体受体之间电荷的传输，通过吡啶类试剂对该类有机改性剂进行螯合交换是较为有效的方法（如文献J.Phys.Chem.C,2010,114,12784报道），但在改善与聚噻吩类衍生物的界面性能方面并未起到显著的效果。

发明内容

为解决杂化异质结材料中无机半导体在有机共轭体系中的分散稳定性问题，提高电子传输能力，并实现有机无机界面处电荷的有效分离与传递，本发明提供一种以吡啶改性的烷基噻吩-吡啶共聚物作为P型半导体材料、以Ⅱ-Ⅵ族无机纳米晶作为n型半导体材料组装的杂化异质结材料及制备方法。

解决上述技术问题采用的方案为：

一种透明有机无机杂化异质结材料的制备方法，以烷基噻吩-吡啶共聚物材料为p型半导体，以Ⅱ-Ⅵ族无机纳米晶材料为n型半导体，制备有机无机杂化异质结材料的具体操作步骤如下：

（1）烷基噻吩-吡啶共聚物材料

烷基噻吩-吡啶共聚物分子结构中烷基噻吩和吡啶的摩尔比为1～3:1，分子量在5000～20000范围之内，分子量分布在1.1～1.4范围之内；结构通式如下：

式中：m为1～3，n为10～40，R是C6～C10的烷基；m值可以通过改变烷基噻吩与吡啶单体的用量进行控制，n值可以通过改变催化剂与单体总量的摩尔比调节大小；

（2）Ⅱ-Ⅵ族无机纳米晶材料

Ⅱ-Ⅵ族无机纳米晶材料的物理性状：球形，直径为3～8nm，其结构通式为：XY，其中X是锌或镉，Y是含有氧或硫或硒的物质，具体是氧化锌或硫化锌或硒化锌或硫化镉或硒化镉；

（3）烷基噻吩-吡啶共聚物和Ⅱ-Ⅵ族无机纳米晶组装制备杂化异质结

分别将烷基噻吩-吡啶共聚物和Ⅱ-Ⅵ族无机纳米晶溶解在溶剂中，分散均匀，得到烷基噻吩-吡啶共聚物溶液和Ⅱ-Ⅵ族无机纳米晶溶液；按烷基噻吩-吡啶共聚物和Ⅱ-Ⅵ族无机纳米晶的质量比1:0.5～5将烷基噻吩-吡啶共聚物溶液和Ⅱ-Ⅵ族无机纳米晶溶液混合，室温下组装1～2h；室温下通过旋涂成膜、浇铸成膜或印刷成型，制得烷基噻吩-吡啶共聚物和Ⅱ-Ⅵ族无机纳米晶的杂化异质结薄膜，所述薄膜呈透明状；

所述溶剂为氯仿，或氯苯与吡啶的混合溶液，或氯仿与正己烷的混合溶液；所述氯苯和吡啶的体积比为1:0.5～4，所述氯仿和正己烷的体积比为1:0.5～4；

所述烷基噻吩-吡啶共聚物溶液的浓度为1～20mg/ml；

所述Ⅱ-Ⅵ族无机纳米晶溶液的浓度为20～30mg/ml。