[发明专利]纳米粒子材料和光电转换器件

说明书

技术领域

本发明涉及纳米粒子材料和光电转换器件，更详细而言涉及超微粒子的表面被表面活性剂覆盖的纳米粒子材料、和使用该纳米粒子材料的太阳能电池、发光二极管等光电转换器件。

背景技术

作为粒径为10nm以下的超微粒子的量子点，载流子(电子、空穴)的约束性优异，因此能够通过电子-空穴的再次结合容易地生成激子。因此可期待来自自由激子的发光，并能够实现发光效率高且发光光谱尖锐的发光。另外，由于量子点可利用量子尺寸效应在大的波长范围进行控制，所以对半导体激光、发光二极管(LED)等发光器件的应用备受瞩目。

然而，胶体量子点在液相中进行化学合成，并且通常为了不使量子点彼此凝聚，而用表面活性剂的有机分子覆盖其表面。即，胶体量子点有如下缺点：由于起因于有机分子的表面活性剂的低导电性而电位势垒大，因此介由载流子(空穴和电子)的光电转换效率低。

另外，使用导电性高分子或金属系材料作为表面活性剂时，通过施加电压，被注入到电极的载流子以从阳极到阴极、或从阴极到阳极的方式从表面活性剂中通过，结果难以有效地将上述载流子约束在量子点内。

图9是设想使用了导电性表面活性剂的光电转换器件的示意图。

该光电转换器件，在形成于阳极101的上表面的空穴输送层102和形成于阴极103的下表面的电子输送层104之间夹设有量子点层105。而且，该量子点层105为了不使由核部106与壳部107构成的量子点108彼此凝聚，其表面被导电性表面活性剂109覆盖。即，量子点层105具有排列设置有多个量子点108的层叠结构，在量子点108之间夹设有导电性表面活性剂109。

如果在阳极101和阴极103之间施加电压，则在阳极101注入空穴，在阴极103注入电子。而且，如箭头a和箭头b所示，作为载流子的空穴和电子从导电性表面活性剂109中通过，没被约束在量子点108内的空穴被输送到阴极103方向、电子被输送到阳极101方向。即，使用导电性表面活性剂109时，载流子仅仅形成通电而不能将载流子约束在量子点108内。

因此，研究、开发了以下技术：通过使用具有空穴输送性和电子输送性两者的配体的表面活性剂，从而将载流子约束在量子点内。

例如，专利文献1中提出了一种纳米粒子发光材料，具有局部存在于量子点表面的由至少2种配体构成的表面活性剂，上述配体中，至少1种是空穴输送性配体，至少1种是电子输送性配体。

量子力学体系中，分子具有的能量状态与存在电子的分子轨道相对应，可以划分为能量最低且稳定的基态和比基态能量高的激发态。而且，分子在光照射前处于基态，从具有最低能量的分子轨道开始依次被电子占有，将该基态的分子轨道中最高分子轨道称为最高占有轨道(Highest Occupied Molecular Orbital；以下称为“HOMO”)，与该HOMO对应的能量能级是HOMO能级。另一方面，如果分子被光照射则变成激发态，分子轨道成为未被电子占有的空的状态。而且，将这些未被电子占有的分子轨道中的最低分子轨道称为最低空轨道(Lowest Unoccupied Molecular Orbital；以下，称为“LUMO”)，与该LUMO对应的能量能级是LUMO能级。而且，电子在导带移动，空穴在价带移动。

如图10所示，专利文献1中，使电子输送性配体121的HOMO能级122比空穴输送性配体123的HOMO能级124低，使空穴输送性配体123的LUMO能级125比电子输送性配体121的LUMO能级126高，由此提高载流子对量子点127的注入效率。

另外，如图11所示，该专利文献1中，通过选择电子输送性配体121的HOMO能级122比量子点127的价带的最高电子能级128低的电子输送性配体121，从而利用电子输送性配体121阻挡注入到量子点127的空穴，另外，通过选择空穴输送性配体123的LUMO能级125比量子点127的导带的最低电子能级129高的空穴输送性配体123，从而利用空穴输送性配体123阻挡注入到量子点127的电子。

图12是说明专利文献1中量子点的约束原理的图。

即，量子点108由核部106和覆盖该核部106的壳部107构成，壳部107被表面活性剂133覆盖。该表面活性剂133具有空穴输送性配体133a和电子输送性配体133b，空穴输送性配体133a局部存在于空穴输送层102侧，电子输送性配体133b局部存在于电子输送层104侧。