[发明专利]制备基于导电性纳米颗粒的装置和膜的方法

说明书

技术领域

本发明涉及用于制备基于导电性纳米颗粒的装置和膜的方法以及通过该方法制造的装置。

背景技术

人们广泛地认识到有机光伏（OPV）在可再生能源投资中会扮演重要的角色，因为OPV提供了作为能够直接从日光产生电流的廉价涂层的巨大潜力。OPV的关键性竞争优势在于可以使用辊到辊加工技术在大面积上高速印刷包含活性层的聚合物掺混材料，从而具有以极低的成本用光伏材料涂覆每个屋顶和其他合适建筑表面的诱人远景。

将有机供体和受体材料的混合物溶于有机溶剂，如氯仿或氯苯中来制造常规现有技术的OPV装置。将该溶液沉积到合适的基材上形成了电子供体和受体的互穿网络。所有的现有制造方法（例如旋涂和丝网印刷）都依赖于反混热力学来形成相分离区域，其所需的最优化尺寸为50-100nm。虽然本质上是可行的，但是现有OPV材料的许多方面并不十分适合使用高速印刷技术来构建大面积光伏模块。原因有两部分。首先，在大面积上调节装置形貌是充满困难的，因为通常来说，无法使用现有制造方法来最优化特定聚合物混合物的相分离。其次，使用高挥发性和易燃有机溶剂对于建立用于涂覆大面积的高速印刷线存在严重问题。明显地，迫切需要发展新的用于OPV装置的加工方法，该方法在提供纳米规模形貌控制的同时，不需要有机溶剂或者对有机溶剂的需求最少。

分散在水中的半导体聚合物纳米颗粒的制造是非常成熟的，可以通过在乳胶基质中混合胶态（10-100nm）导电性聚合物来制备导电性电活性涂料。Landfester等（Adv.Mater.,14,651,(2002)）报道了聚(9,9-二辛基芴-共-苯并噻二唑和聚(9,9-二辛基芴-共-N,N-二(4-丁基苯基)-N,N-二苯基-l,4-苯二胺)半导体聚合物的纳米颗粒（50-250nm）的制备。超声波制备聚合物胶体的水性分散体并旋涂到表面上以制备初步光伏装置。但是这些装置的能量转化效率极低（<0.004%），使得它们从商业角度看没有用处。随后，Snaith等（Synth Met,147,105,(2004)）使用电镀技术沉积纳米颗粒作为OPV装置获得类似的效率。有趣的是，自从2004年以来没有关于源自水性胶体的OPV装置的报道，大概是由于获得的装置效率非常低。

在此背景下，本发明人出人意料地能够制备基于水性胶状颗粒的高效OPV装置。此类装置的效率比先前报道的那些装置的效率高1-2个数量级之间。更值得注意的是，这些装置的效率几乎是由相同材料制造的相应最佳本体异质结装置的效率的两倍，在所报道的此类材料掺混物中具有最高效率。

发明内容

在第一方面，本发明提供用于制备包含导电性纳米颗粒的膜或装置的方法，所述方法包括调节纳米颗粒表面能的步骤。

所述调节纳米颗粒的表面能可涉及改变位于纳米颗粒表面的表面活性剂的量。

当纳米颗粒在基材上作为沉积层存在时，可以通过对其进行退火来实现所述改变位于纳米颗粒表面的表面活性剂的量。

在将纳米颗粒沉积到基材上之前，可以通过控制包含纳米颗粒和表面活性剂的水性分散体中表面活性剂存在的量，来实现所述改变位于纳米颗粒表面的表面活性剂的量。

所述调节纳米颗粒的表面能可涉及增加纳米颗粒的表面能或者降低纳米颗粒的表面能。

所述增加纳米颗粒的表面能可包含消除位于纳米颗粒表面的表面活性剂或减少位于纳米颗粒表面的表面活性剂的量。

所述消除位于纳米颗粒表面的表面活性剂或减少位于纳米颗粒表面的表面活性剂的量可以通过当纳米颗粒在基材上作为沉积层存在时，对其进行退火来实现。

所述消除位于纳米颗粒表面的表面活性剂或减少位于纳米颗粒表面的表面活性剂的量，可以通过在将纳米颗粒沉积到基材上之前，控制包含纳米颗粒和表面活性剂的水性分散体中表面活性剂存在的量来实现。

所述控制水性分散体中表面活性剂存在的量可涉及水性分散体的渗析，从而使得其中的表面活性剂的量最小化。

可以通过对包含纳米颗粒和表面活性剂的水性分散体进行渗析，使其中的表面活性剂的量最小化，并当纳米颗粒在基材上作为纳米颗粒层沉积后立即对其进行退火，来实现所述调节纳米颗粒的表面能。

所述纳米颗粒可以是芯壳纳米颗粒。

所述纳米颗粒可以是导电性聚合物纳米颗粒。

所述纳米颗粒可以是导电性有机纳米颗粒。

所述纳米颗粒可以是有机导电性聚合物纳米颗粒。