杂化的纳米复合材料制造技术

本发明专利技术的目的在于杂化的纳米复合材料及其制备方法，该复合材料包括导电的伸长的无机纳米晶体，所述纳米晶体至少在其部分表面上接枝有导电的有机化合物。本发明专利技术进一步公开了包括所述杂化的纳米复合材料的薄膜、太阳能电池以及开关器件。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及杂化的纳米复合材料、其制造方法及其应用，尤其是在太阳能电池组 件和开关电器件中的应用。
技术介绍
太阳能作为其它能源生产方法的替代方法目前仍相当不具备竞争力。其主要原因 是现有的硅太阳能电池的生产成本高，而低成本替代方法的效率却有限。改进装置的研究已导致了许多方法，这包括值得关注的同轴硅纳米线(Lieber 等，Nature Lett. ,449, (2007)885)。纳米线由具有内在和η掺杂硅壳体盖住(capped)的 P掺杂硅芯体纳米线组成。然而，材料成本和制造成本导致硅基器件很昂贵，因为涉及高温、 高真空和许多的平版印刷步骤。已有人建议用可以从溶液进行处理的有机或聚合物半导体代替硅。然而，这些材 料中的光激发不会直接产生自由的电荷载流子，而是产生称为激发子的电子-空穴对。激 发子要求电子给体(η型)和电子受体(P型)材料的界面分离为自由的电荷载流子。考虑 到其寿命短暂，只有在界面附近产生的激发子才能导致产生电荷。因此η型畴(domain)和 P型畴应具有较大的界面，并同时形成两个连续的畴，以保证产生的电荷能到达电极。因此对低成本太阳能电池，纳米复合材料是令人感兴趣的考虑对象。有人提出了基于含电子给体相和电子受体相的聚合物共混物的太阳能电池，其 中聚合物-富勒烯的共混物最成功(Yu, G. ；Gao, J. ；Hummelen, J. C. ；Wudl ；F. ；Heeger, A.J. Science 1995,270, ‘ 1789. ；Shaheen,S. E. ；Brabec,C. J. ；Padinger,F. ；Fromherz, T. ；Hummelen, J. C. ；Sariciftci, N. S. Appl. Phys. Lett. 2001,78,841. ；ffienk, Μ. M.； Kroon, J. M. ；Verhees, W. J. H. ；Knol, J. ；Hummelen, J. C. ；Van Hal, P. Α. ；Janssen, R. A. J. Angew. Chem. , Int. Ed. 2003, 42, 3371. Schilinsky, P. ；ffaldauf, C. ；Brabec, C. J. Appl. Phys. Lett. 2002,81, 3885. Svensson, M, ；Zhang, F. ；Veenstra, S. C. ；Verhees, W. J. H. ；Hummelen, J. C. ；Kroon, J. M. ；Inganam" s 0. ；Andersson, Μ. R. Adv. Mater. 2003, 15，988)。这两种聚合物形成含纳米级相分离的互穿网络，可导致产生效率很高的本体异质 结。这样的有机太阳能电池可表现出高达5%的太阳能转换效率。然而，两种聚合物的共混 经常伴有共混物形态控制和两种聚合物间相分离稳定的问题。此外，有机η型半导体的电 子迁移和常压稳定性较弱。最近，可以通过溶液处理制备，将共轭聚合物与无机η型半导体纳米粒子共混， 如将CdSe纳米棒与聚-3(己基噻吩)(Ρ3ΗΤ)混合的杂化太阳能电池。使用伸长的纳米粒子代替纳米球可以提高器件的性能，因为纳 米棒和P3HT有互补的吸收光谱，得到的纳米棒-聚合物共混物器件的光电流光谱可以扩展 到高达720nm。在杂化纳米复合材料太阳能电池的另一个实例中，作为电子受体的ZnO纳 米粒子与作为电子给体的共轭聚合物基体聚(MDMO-PPV)共混(Janssen 等.，J. Phys. Chem. B，2005，109，9505)。用4ZnO纳米棒代替纳米球制备的太阳能电池不会导致太阳能电池性能的改善。与聚合物共混 物相比，由于需要表面活性剂来提高纳米棒的溶解性，其最终导致太阳能电池的性能没有 得到改善。杂化或聚合物纳米复合材料的另一个局限是，参考的聚合物P3HT主要吸收300 650nm,因此不能捕获大部分的太阳光谱。聚合物改性证明是很难的，因为分子结构方面的 任何变化都会影响其它性能，如形态、聚合物链之间的电荷载流子迁移率、分散性、或纯度。
技术实现思路
因此，本专利技术的目的是提供新型的纳米复合材料，尤其是用于高效率低成本太阳 能电池的纳米复合材料，其应该可以克服前面所述的一个或多个缺点。通过提供杂化的纳米复合材料可以实现此目的，所述杂化的纳米复合材料包括至 少在其部分表面上接枝导电有机化合物的伸长的无机纳米粒子，尤其是纳米棒。这些材料表现出令人感兴趣的性能，尤其是在电荷载流子迁移方面，因为它们允 许双极性电荷载流子在杂化的纳米复合材料的无机和有机部分的内部进行独立同轴迁移。 此外，该材料允许直接调节其吸收、有机化和溶解性。有关术语定义如下伸长的纳米晶体结晶的、尤其是单晶的纳米结构，其包括至少一个伸长的部 分，如纳米线、纳米棒、纳米管、纳米两脚(nanobipod)、纳米三脚(nanotripod)、纳米四脚 (nanotetrapod)、或如纳米星的纳米多脚(nano-multipod)。对于纳米线、纳米棒和纳米管， 伸长部分构成了整个纳米结构。伸长部分的纵横比一般为大于2，优选大于3，最好优选5 200。伸长部分的典型尺寸为直径3 lOOnm，长度10 2000nm。纳米复合材料包括至少两种很好分散的互不混溶组分的材料，分散相的尺寸为 纳米级，典型地为1 500nm，优选2 100nm。 ml 包括无机组分和有机组分。有机化合物主要由碳和氢组成的、并且含较低含量的如氧、氮、硫和磷的其它元 素的化合物，除元素碳、碳酸酯、碳氧化物和碳氰化物外。Mi 分子连接到固体表面上的过程，涉及静电相互作用、吸附和/或共价键合。自组装单层由一层分子吸附到固体表面上所形成的有序的分子组装体。导电体允许电荷载流子迁移的材料，包括金属导体和半导体。根据第一方面，本专利技术涉及杂化的纳米复合材料，其包括导电的无机的伸长的纳 米晶体，所述纳米晶体至少在其部分表面上接枝有导电有机化合物。根据本专利技术的杂化的纳米复合材料包括伸长的纳米晶体作为其主要的或唯一的 无机组分。伸长纳米晶体各向异性的几何结构可保证电荷载流子能沿着其长轴轻松有序地 迁移，因为与球形纳米晶体相比，其电荷载流子到达如太阳能电池的器件的电极所要求的 跳跃步骤要少得多。有利地，纳米晶体在纳米复合材料中有优选的取向。这类优选的取向尤其可以通 过表面活性剂给予的分子间作用力(表面效应)或通过施加电场来获得。很有序的伸长纳 米晶体组装体可改善纳米晶体间的相互连接，并且可允许电荷载流子跨越长距离进行高效 率迁移。使用无机材料的进一步优势在于这些材料表现出高的电荷迁移率以及尺寸和环境 稳定性。根据本专利技术的杂化的纳米复合材料包括导电的无机的伸长的纳米晶体。伸长的纳 米晶体尤其可以是半导体或金属。最常见地，所述纳米晶体为η型或P型半导体，具体依器 件的构思而定。这类纳米晶体可以由很宽范围的无机化合物制成，尤其包括钛、锆、铪、钒、铌、 钽、铬、钼、钨、锰、锝、铼、铁、锇、钴、镍、铜、银、金、锌、镉、钪、钇、镧、硼、镓、铟、砷、铊、硅、锗、锡、铅、镁、钙、锶、钡和铝，以及其简单或混合的硫属元素化物，尤其本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种杂化的纳米复合材料，其包含导电的无机的伸长的纳米晶体，该纳米晶体在其至少部分表面上接枝了导电的有机化合物。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】

【专利技术属性】
技术研发人员：J阿克曼，F法热，C马丁尼，
申请(专利权)人：埃克斯马赛第二大学，国立科学研究中心，
类型：发明
国别省市：FR[法国]