低维纳米材料制备、光学特性及其光电子器件性能研究

摘要

纳米材料由于具有独特的尺寸、性能和潜在的应用前景备受人们关注，到目前为止，已出现大量的有关纳米材料报道，但是纳米材料是一个庞大的领域，还有很多可以探索和拓展的空间。采用简单、低成本的方法制备纳米材料，并把它们应用到相关领域的是人们追求的主要目标之一，在这方面仍需要开展大量研究和解决许多相关问题。
　　本文主要采用几种简单的方法制备几种低维有机小分子纳米材料和纳米ZnO，研究了它们的光学特性。并把制备的纳米ZnO分别与几种有机半导体混合，制备了几种光电二极管和反型结构太阳能电池。论文主要内容包括以下几个方面：
　　1.采用再沉淀法制备perylene、DCM和DPA三种有机小分子纳米材料，在一定制备条件下形成perylene纳米片、DPA纳米晶、DCM纳米颗粒，研究它们的光学特性。结果发现 DCM纳米颗粒内分子电荷转移(CT)峰相比稀释溶液的发生蓝移，是由于纳米颗粒中分子形成了H-聚集，在DCM纳米颗粒的荧光发射光谱中，发光峰产生猝灭，其原因是纳米颗粒中分子形成了H-聚集和它的发色团的构型发生扭曲所致。还得出perylene纳米片中晶格发生变化和DPA纳米晶中分子形成J-聚集。
　　2.ZnO纳米颗粒具有很大的表面积、优异的光电特性和容易合成等优点。采用化学回流方法，通过调节回流时间合成出粒径从5~40nm范围变化的ZnO纳米颗粒，研究它们的晶体结构和光学特性。并阐述不同尺寸的ZnO纳米颗粒的形成机制。
　　3.良好取向的ZnO纳米线或纳米棒阵列有望在大面积、低成本和高性能光电子器件有广泛应用前景。我们采用化学浴沉积方法，在ITO玻璃衬底上制备良好取向ZnO纳米线阵列(ZNWAs)。研究前驱物的浓度、生长时间、生长温度、pH值和种子层对ZnO纳米线的尺寸(直径和长度)和纳米线的排列密度的影响。同时在ITO玻璃衬底制备良好取向ZnO纳米棒阵列(ZNRAs)，研究生长时间对ZnO纳米棒的直径影响。并研究它们的结构和光学特性。获得控制它们的尺寸直径、长度、排列密度的条件和在可见光区具有高透明的纳米线或纳米棒阵列。
　　4.有机/无机混合光电子器件是一个有兴趣的领域。使用制得的ZnO纳米颗粒和ZnO纳米线阵列分别和酞菁铜、并五苯、P3HT混合，制备六种光电二极管，系统地研究了它们在暗态和光照下的性能。结果显示它们在暗态下和不同光照强度下J-V特性都显示出较好的整流特性。并且得到器件ITO/ZNWAs/P3HT(旋涂)/Ag在暗态下理想因子为1.8，整流率为3211，表现出最好的二极管特性。导致如此大的整流率主要有两个原因：一是ZnO纳米线阵列具有良好的电学输运特性，包括ZnO纳米线具有很高的电子迁移率和为电子提供直接的输运路径；二是ZNWAs/P3HT之间形成很大的亲密接触界面，在该器件中存在非常少的漏电通道。低的理想因子说明器件中电荷输运机制仅为复合和扩散机制。
　　5.有机太阳能电池具有成本较低，重量轻，可采用多种衬底等明显优点，引起人们很大的研究兴趣。但是它们在大气环境下的稳定性和寿命较差，成为有待于解决的难题之一。我们采用制得的ZnO纳米颗粒、ZnO纳米晶、ZnO纳米线和纳米棒阵列分别和P3HT:PCBM混合制作四种反型结构太阳能电池。它们开始的能量转换效率分别为0.28％、0.89%、0.91%和1.11%，在大气环境下放置长达4416小时后，它们的能量转换效率分别为0.42%、0.75%、1.21%和1.98%。除了ITO/nc-ZnO/P3HT:PCBM/MoO3/Ag器件能量转换效率稍有下降外，其它器件的能量转换效率都是增加的，说明这些太阳能电池在大气环境下都具有很好的稳定性。并对它们的稳定性的原因进行全面分析和研究。还比较它们之间性能，分析和研究造成它们性能差异的原因。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第一章 绪 论

1.1 引言

1.2 纳米材料概述

1.3 有机小分子纳米材料研究进展

1.4 低维纳米结构ZnO研究进展

1.5 ZnO/有机半导体混合光电子器件研究进展

1.6 本课题研究思路和主要研究内容

第二章 低维有机小分子纳米材料的制备与光学特性研究

2.1 引言

2.2 实验部分

2.3 实验结果与讨论

2.4 有机小分子纳米材料的形成机理

2.5 本章小结

第三章 低维ZnO纳米材料的制备、形貌和尺寸控制

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 实验结果分析与讨论

3.4 ZnO纳米线(棒)生长机制和过程

3.5 本章小结

第四章 低维纳米ZnO/有机半导体混合光电二极管研究

4.1 引言

4.2 光电二极管概述

4.3 实验部分

4.4 实验结果分析与讨论

4.4光电二极管中的电荷输运过程

4.5 本章小结

第五章 低维纳米ZnO/聚合物混合太阳能电池研究

5.1 引言

5.2 有机太阳能电池概述

5.3 基于纳米ZnO/聚合物混合的反型结构太阳能电池研究现状

5.4 实验部分

5.5 实验结果分析与讨论

5.6 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 工作总结

6.2 后续工作及展望

致谢

参考文献

附录

攻读博士学位期间取得的研究成果