聚烷基噻吩纳米线－硒化镉纳米花耦合复合纳米材料及其制备方法和应用
【技术领域】
[0001]本发明属于纳米材料与器件技术领域，具体涉及一种聚烷基噻吩纳米线一砸化镉纳米花親合复合纳米材料及其制备方法和应用。
【背景技术】
[0002]在材料科学发展过程中，人们设想如何克服无机和有机半导体材料的性能局限性，通过不同结构、不同功能的复合，使材料的基本特性得到互补、优化和协同增强，从而发现新现象、产生新功能。有机/无机半导体构筑复合材料正是建立在如此考虑的基础上的，它在复合体异质结薄膜太阳能电池中的应用亦是在此背景下发展起来的。
[0003]在改善有机半导体与无机纳米材料之间的界面接触性能方面，原位生长复合法和后处理方法是两种常见的研究技术。对于前者，典型的工作例如在ZnO纳米棒和CdSe量子点表面接枝生长聚己基噻吩(P3HT)外壳。这种将两相材料通过耦合作用连接的复合材料中光生激子的分裂效率和电荷转移效率得以明显提高。在优化两相接触界面，促进激子分裂和电荷转移的同时，高效的电子输运也是体异质结薄膜太阳能电池所必需的。这方面的研究主要体现在对无机纳米颗粒的形貌优化上。考虑到电子在复合体异质结薄膜中以跳跃遂穿方式传输，因此一维的无机纳米棒比零维的量子点具有较高的电子输运连续性，而三维的无机纳米颗粒(如纳米四角体)则由于可以在复合薄膜中构成连续的网络结构而具有更高的电子传输效率。
[0004]无机纳米颗粒与有机半导体高分之间的原子成键复合可以有效改善光生激子的分裂效率，但此类研究多是涉及零维的量子点或一维的纳米棒，在体异质结薄膜中，电子构成三维网络传输通道的能力不足；另一方面，与优化的电子传输相比，有机半导体高分子在空穴迀移率方面存在不足，尚需改善空穴传导能力以促进体异质结薄膜中的电荷输运平衡，提高光电流密度。
【发明内容】
[0005]针对以上问题，本发明中提出一种具有高效电荷传输收集能力，同时保持较高电荷转移效率的复合太阳能电池所用聚烷基噻吩纳米线一砸化镉纳米花耦合复合纳米材料及其制备方法和应用。该聚烷基噻吩纳米线一砸化镉纳米花耦合复合纳米材料采用有机半导体高分子自组装形成的纳米线作为电子给体，以砸化镉纳米花作为电子受体和传输体，纳米线与纳米花之间通过耦合成键进行复合杂化，构成太阳能电池的光敏层。
[0006]为实现上述目的，本发明采用的技术方案是，一种聚烷基噻吩纳米线一砸化镉纳米花親合复合纳米材料的制备方法，包括以下步骤:
(1)砸化镉纳米花有机溶液的制备:将砸化镉纳米花分散在有机溶剂中，形成砸化镉纳米花有机溶液，砸化镉纳米花有机溶液中砸化镉的质量浓度为10-100mg/ml ;
(2)将聚烷基噻吩分散在有机溶剂中，升温至60-90°C，持续搅拌，获得透明的聚烷基噻吩有机溶液，聚烷基噻吩有机溶液中聚烷基噻吩的质量浓度为5-50mg/ml ;
(3)将步骤(I)中制备的砸化镉纳米花有机溶液，与步骤(2)中制备的聚烷基噻吩有机溶液混合，搅拌均匀获得混合溶液，并将混合溶液温度保持为60-90°C ;其中，混合溶液中聚烷基噻吩与砸化镉的质量比为5:1-1:10 ;
(4)将步骤(3)中制备的混合溶液静置放置，并以0.5-30C /min的降温速率将混合溶液降温至5-20°C，然后在5-20°C下将混合溶液保温2-90天。
[0007]优选的，所述聚烷基噻吩为聚(3-丁基噻吩)P3BT、聚(3-戊基噻吩)P3PT、聚(3-己基噻吩)P3HT或聚(3-辛基噻吩)P30T的任一种。
[0008]优选的，所述有机溶剂为二氯苯、三氯苯或二甲苯中的任一种。
[0009]优选的:所述步骤(2)中搅拌时的转速为100-300转/分钟；所述步骤(3)中搅拌时的转速为100-300转/分钟。
[0010]优选的，所述步骤(I)中的砸化镉纳米花是通过下述方法制得的:①氧化镉溶液制备:称量0.064g-0.128g的氧化镉加入到l_3ml油酸中，再加入l_3g三正辛基氧化膦，得到氧化镉溶液，然后升温至250-270°C，并持续搅拌；②称量0.02g-0.039g的单质砸，加入l-3ml三辛基膦进行溶解，得到砸溶液；③将步骤②的的砸溶液注入到步骤①的氧化镉溶液中，保持温度为250-270°C、反应15-40分钟后自然降温至室温，将降至室温的溶液加入到10-20ml的无水乙醇中，离心分离获得沉淀；④将步骤③得到的沉淀用l_2ml氯苯分散，然后加入3-4ml无水乙醇进行再沉淀并离心，如此反复分散一沉淀共3-5次。
[0011 ] 本发明制备的聚烧基噻吩纳米线一砸化镉纳米花親合复合纳米材料在太阳能电池的光敏层中的应用:将聚烷基噻吩纳米线一砸化镉纳米花耦合复合纳米材料在5-20°C下搅拌均匀，然后采用旋涂法、刀刮法、丝网印刷法或卷轴印刷法制成厚度为50-300nm的薄膜。
[0012]本发明产生的有益效果是，通过聚烷基噻吩纳米线作为电子给体，以砸化镉纳米花作为电子受体和传输体，纳米线与纳米花之间通过耦合成键进行复合杂化形成的复合纳米材料，具有高的电荷迀移率、光生电荷界面转移能力和高的电荷输运性能，可用作有机无机杂化薄膜太阳能电池的光敏层，提高器件效率。
【附图说明】
[0013]图1为实施例1中制备的聚(3-己基噻吩)纳米线透射电子显微镜图(TEM)；
图2为实施例1中制备的聚(3-己基噻吩)纳米线一砸化镉纳米花親合复合纳米材料透射电子显微镜图(TEM);
图3为聚(3-己基噻吩)纳米线、聚(3-己基噻吩)纳米线一砸化镉纳米花耦合复合纳米材料的X射线衍射图(XRD);
图4聚(3-己基噻吩)纳米线、聚(3-己基噻吩)纳米线一砸化镉纳米花耦合复合纳米材料的光致发光谱(PU。
【具体实施方式】
[0014]为了更好的说明本发明的内容，下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明范围。
[0015]实施例1
一种聚(3-己基噻吩)纳米线一砸化镉纳米花耦合复合纳米材料的制备方法，包括以下步骤:
(1)砸化镉纳米花二氯苯溶液的制备:将砸化镉纳米花分散在二氯苯中，形成砸化镉纳米花二氯苯溶液，砸化镉纳米花二氯苯溶液中砸化镉的质量浓度为40mg/ml ；
(2)将聚(3-己基噻吩)P3HT分散在二氯苯中，升温至90°C，持续搅拌(200转/分钟)，获得透明的聚(3-己基噻吩)二氯苯溶液，聚(3-己基噻吩)二氯苯溶液中聚(3-己基噻吩)的质量浓度为5mg/ml ;
(3)将步骤(I)中制备的砸化镉纳米花二氯苯溶液，与步骤(2)中制备的聚(3-己基噻吩)二氯苯溶液混合，搅拌(200转/分钟)均匀获得混合溶液，并将混合溶液温度保持为900C ;其中，混合溶液中聚(3-己基噻吩)与砸化镉的质量比为1:4 ;
(4)将步骤(3)中制备的混合溶液静置放置，并以1°C /min的降温速率将混合溶液降温至20°C，然后在20°C下将混合溶液保温90天。
[0016]所述步骤(I)中的砸化镉纳米花是通过下述方法制得的:①氧化镉溶液制备:称量0.128g的氧化镉加入到3ml油酸中，再加入3g三正辛基氧化膦，得到氧化镉溶液，然后升温至260°C，并持续搅拌(300转/分钟)；②称量0.039g的单质砸，加入3ml三辛基膦进行溶解，得到砸溶液；③将步骤②的砸溶液注入到步骤①的氧化镉溶液中，保持温度为260°C、反应30分钟后自然降温至室温，将降至室温的溶液加入到20ml的无水乙醇中，在5000转/分钟下离心分离获得沉淀；④将步骤③得到的沉淀用2ml氯苯分散，然后加入4ml无水乙醇进行再沉淀并离心，如此反复分散一沉淀共5次。
[0017]形貌与晶相测试结果:无砸化镉纳米花时，纯聚(3-己基噻吩)纳米线的形貌如图1所示，可以看到纳米线均匀的直径，大的长径比，纳米线在有机溶剂如二甲苯等中分散效果良好。而聚(3-己基噻吩)纳米线-CdSe纳米花耦合复合材料的形貌如图2所示。纳米花非常均匀地修饰在纳米线表面，组装成一种同轴结构，即便在密度非常大的团聚体上也可以清晰地分辨出纳米线的相互交错分布，表明合成的耦合复合材料具有较高的质量。纯聚(3-己基噻吩)纳米线的XRD衍射图谱如图3所示，其中在小角处衍射峰是聚(3-己基噻吩)纳米线典型的衍射峰，表明合成的纳米线是以[100]方向择优生长。耦合砸化镉纳米花之后的样品中增加了砸化镉的衍射峰，而聚(3-己基噻吩)的衍射峰强度有所降低。
[0018]本实施例制备的聚(3-己基噻吩)纳米线一砸化镉纳米花親合复合纳米材料在太阳能电池的光敏层中的应用:将获得的聚(3-己基噻吩