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有机给体—受体异质结纳米有序复合光电材料

白茹  
【摘要】: 光电功能器件的性能表现为激发态载流子的产生、解离和传输行为,复合材料的凝聚态结构对其激发态性能有着至关重要的影响。一维纳米有序复合结构增强的光致电荷转移可显著提高载流子的解离和传输效率,因而为优化光电功能器件性能的有效途径之一。通过有机半导体材料纳米薄膜形貌调控和高度有序纳米阵列结构的组装,可以提高半导体材料的载流子传输性能。本研究将有机半导体材料进行纳米级的复合,尤其是采用以无机材料低维结构为模板进行纳米有序复合的方法,增强载流子的分离和定向传输,从而达到光电功能协同增强的目的。本论文对实验制得的酞菁、苝酰亚胺、和C_(60)半导体有序纳米结构及其阵列的光电性能进行了研究,为制备基于酞菁、苝酰亚胺和C_(60)的复合材料的光电子器件提供了数据积累。 本文首先综述了光电功能纳米薄膜在有机太阳能电池领域的应用研究,并具体介绍了基于酞菁染料、苝酰亚胺衍生物以及富勒烯C_(60)纳米薄膜有机光伏器件的研究进展。 本研究合成并提纯了金属酞菁、三明治型稀土酞菁和吡啶-苝酰亚胺,通过元素分析、紫外可见吸收光谱、红外吸收等手段对合成物质的化学结构及纯度进行表征。DSC-TGA分析表明,合成的酞菁和吡啶-苝酰亚胺分子具有较好的热稳定性。 p型半导体材料稀土酞菁在酸性溶液中易被质子化,质子化的分子在外加电场作用下可定向迁移。基于这一现象,通过电泳沉积法在导电ITO玻璃上制得酞菁铒薄膜,并通过调节沉积时间、电场强度和退火处理条件调控酞菁铒薄膜的聚集态结构。实验结果表明,延长沉积时间、提高沉积电压可使酞菁铒以纳米线、微米线结构沉积于基片上,而通过退火处理可制得V型、Y型及花状形态的微米结构。采用紫外-可见吸收光谱与近红外吸收光谱研究了酞菁铒薄膜的光响应性能,发现稀土酞菁薄膜在可见光和近红外区均具有较高的光敏性,表明稀土酞菁可用于制备薄膜型红外探测器。同样,带有杂氮原子的n型半导体材料吡啶-苝酰亚胺亦可被质子化实现电泳沉积。因此,通过分步沉积与在混合溶液中共沉积的方法得到了稀土酞菁/吡啶-苝酰亚胺复合薄膜。通过薄膜形貌和吸收光谱表征发现,稀土酞菁由于含有更多的易质子化氮原子而具有较吡啶-苝酰亚胺更大的沉积速率。Ⅰ-Ⅴ特性曲线表明稀土酞菁/吡啶-苝酰亚胺复合薄膜显示p/n异质结的整流特性。 采用高度有序的、具有垂直导电基板平行生长的纳米孔道的多孔阳极氧化铝(AAO)作为模板,通过电泳沉积或真空蒸镀的方法将酞菁铜、酞菁铒和吡啶-苝酰亚胺在模板孔内组装,得到了高度有序、定向生长的有机纳米线阵列结构。纳米线在模板中的生长遵循“bottom-up”生长模式,通过控制沉积时间可得到由底部开始生长的、填充不同程度的纳米线结构。纳米线的直径和长度可通过选用相应孔径和厚度的AAO模板进行调控。采用这一高度有序的吡啶-苝酰亚胺纳米线阵列作为光敏层制备的双层光导体器件具有比本体材料高出一个数量级的光电导。载流子的传输通道与传输方向一致是器件性能优化的主要原因。通过在AAO中电泳沉积得到酞菁纳米线阵列,而后在其表面蒸镀吡啶-苝酰亚胺得到的p/n异质结纳米光电器件表现出光伏特性。这一制备方法为获得有机复合光电功能有序纳米结构提供了一条新的制备思路。 C_(60)因其优异的电子传输性能在有机太阳能电池器件中得以广泛应用。用AAO作为模板,通过电泳沉积法将分散在混合溶液中的C_(60)带电聚集体组装于AAO模板内,得到了垂直于导电基底生长的C_(60)纳米阵列。相同的沉积条件下,使用Al和Au两种不同的导电基底分别得到了C_(60)纳米线和纳米管两种不同的阵列结构。此外,本研究首次利用模板表面润湿方法得到了C_(60)纳米线阵列,并对C_(60)纳米线阵列的光导性能进行了研究,发现其光敏性相对于本体薄膜材料提高了一个数量级以上。通过对40、60、80 nm三种不同直径和4、8、10和15μm不同长度的C_(60)纳米线阵列的光导性能对比研究,发现纳米线阵列的光导性能强烈依赖于纳米线的直径和长度,纳米线直径越小、长度越短,纳米线阵列的光电导性能则越好。


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