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半导体纳米晶具有较强的量子尺寸效应、高迁移率、高荧光强度以及可控的多种形貌,其合成及其作为光电材料与器件上的应用已经引起了人们的广泛关注。人们已经通过溶液化学合成制备了多种形貌、尺寸可调的半导体纳米晶,并且开展了在太阳电池、传感器以及发光二极管等多方面的应用研究。半导体纳米晶在聚合物太阳电池中的应用可以结合聚合物和纳米半导体的优点,具有非常重要的基础研究和应用价值。但目前纳米半导体/聚合物杂化太阳电池还存在很多有待解决的问题。首先是合成温度高,条件苛刻,价格昂贵,其次是纳米半导体和聚合物共混时很容易相分离,第三是可以在聚合物太阳电池应用中的纳米半导体种类有限。因此采用新型的,环保的且低成本的路线合成的纳米半导体材料,并且拓展作为杂化聚合物太阳电池中受体的无机纳米半导体范围,同时寻求更好的表面修饰办法来制备廉价、高效的聚合物杂化太阳电池显得十分重要。
本论文采用液相化学合成方法制备了高质量TiO2、PbS、CdSe、ZnS以及CdS等半导体纳米晶。详细研究了合成条件对纳米晶形貌、尺寸以及发光性能的影响,对所合成的半导体纳米晶进行了详尽的表征,并且进一步开发了其在聚合物太阳电池中的应用。
在低温(80-100℃)下,合成了高度结晶的尺寸可调的亲油性锐钛矿TiO2纳米棒。初步研究了其光学吸收和发射性能,TiO2的荧光在溶液中随浓度增大而红移。采用油酸(OLA),辛基膦酸(OPA)以及苯硫酚(TP)对TiO2纳米棒进行了表面修饰,并且将表面修饰的TiO2纳米棒和MEH-PPV一起装配了体异质结太阳电池。考察了不同TiO2浓度以及不同配体修饰对TiO2和MEH-PPV之间电荷传输的影响,发现小尺寸的硫苯酚配体更有利于两者之间电荷的转移和传输。所制备的硫苯酚(TP)修饰的TiO2/MEH-PPV体异质结太阳电池器件,获得了0.16％的能量转换效率。
采用羧酸铅和升华硫前驱体在油胺配体的稳定下合成了高质量单分散的4～13 nm的PbS纳米晶。本合成方法可以避免采用氯化铅带来的氯对纳米晶在光电器件应用中的影响,油胺的使用避免了使用的昂贵有毒的TMS/H2S。对所合成的PbS纳米晶进行了详细的表征,证实所合成的小粒径PbS纳米晶为多角粒子或球形粒子,并且球形粒子可自组装成有序的点阵。所合成的PbS纳米晶具有非常好的结晶性,和尺寸单分散性,显示明显的近红外吸收和荧光发射。详细研究了胺配体在合成中的作用,发现胺配体可以加快铅前驱体和硫前驱体的反应速度进而加快成核速度,同时胺配体在增长过程中又会减慢纳米晶的增长速度。将所合成的PbS纳米晶和MEH-PPV共混,发现5.6 nmPbS纳米晶对MEH-PPV的荧光有一些淬灭作用,所装配的杂化太阳电池器件显示良好的二极管曲线,进一步拓展了应用在杂化太阳电池中的受体材料范围。
采用肉桂酸诱导在TOPO/TOP体系中在200℃的温度下合成了高选择性的四足状CdSe纳米晶。采用肉桂酸代替昂贵的有机膦酸配体,采用相对较低的温度,在大的前驱体浓度下,实现了用廉价的方式得到高质量四足状CdSe纳米晶。详细考察了酸用量,反应温度,溶剂以及酸种类对CdSe纳米晶合成的影响,并且分析了其晶体结构和表面特性,发现四足状CdSe纳米晶由闪锌矿核和纤维锌矿的臂组成,且纯度较高。将所合成的CdSe纳米晶和P3HT共混,发现CdSe纳米晶何以非常好的淬灭P3HT的荧光。所装配的四足状CdSe纳米晶/P3HT杂化太阳能器件也获得比较好的性能,其器件的Voc为0.7V,Isc为4.26 mA/cm2,填充因子为0.33,器件的能量转换效率高达1.19％。
在水/二甲基甲酰胺混合溶剂中,用OP-10稳定,得到了纳米球、纳米棒、纳米片等多种形貌的ZnS纳米晶,同时在三乙醇胺作用下,得到了CdS的纳米棒。采用混合溶剂可以使水相沉淀法的温度提高到100℃,有利于获得更好的结晶,拓展了水相沉淀法的应用温度范围。