增强有机半导体热电性能的方法及有机半导体热电器件

本发明属于有机半导体器件领域，具体涉及一种增强有机半导体热电性能的方法及有机半导体热电器件。

背景技术：

由于全球变暖和化石燃料的短缺，人们势必要寻找到一种可再生的清洁能源。热能是一种丰富的能源，在我们生活中巨大的能量以废热、太阳能热和体热的形式存在。热电材料可以通过塞贝克效应(seebeckeffect)直接将这些可再生的热能转化成电能，即一种材料的两端分别处于两种温度不同的环境中，样品两端温度的不同会导致内部的载流子分布不均，此时热端的载流子浓度较高，而冷端的载流子浓度较低，热端的载流子会向冷端扩散从而形成电流。

有机半导体由于其可溶液加工、柔性和质轻、热导率低以及塞贝克系数高等优点，近年来被广泛研究并应用于有机热电器件。然而，与无机半导体相比，有机半导体的载流子迁移率和电导率相对较低，这极大的限制了有机半导体热电器件的性能。

现有技术中，多采用掺杂的方式增强有机半导体的热电性能，而有机半导体的掺杂工艺还不成熟，并不能找到一个通用的掺杂方式，因而限制了有机半导体热电器件的发展。

技术实现要素：

本发明为了避免上述现有技术所存在的不足之处，提供了一种通用的增强有机半导体热电性能方法，以及有机半导体热电器件。

量子点由于具有较窄的荧光半峰宽、优异的吸收性能、相对较高的稳定性以及可溶液加工等优点，近年来已经成为一种优异的光电材料，而其在热电领域的应用还很少，本发明利用有机半导体/量子点异质结来增强有机半导体材料的电导率和功率因数，从而进一步提高有机半导体的热电性能。

本发明解决技术问题，采用如下技术方案：

一种增强有机半导体热电性能的方法，其特征在于：以有机半导体材料为主体，将量子点沉积到有机半导体层上，形成有机半导体/量子点异质结，在光照条件下，在量子点中会产生大量的电子空穴对，电子空穴对传输至异质结界面处，电子空穴发生分离，电子或空穴进入有机半导体，增加了有机半导体的载流子浓度，从而提高了有机半导体的热电性能。

进一步，所述有机半导体材料为n型或p型有机半导体。

进一步，所述量子点为钙钛矿量子点。

进一步，所述量子点采用溶液法或气相法将其沉积到有机半导体层上。

进一步，所述p型有机半导体材料的最高占据分子轨道homo能级高于钙钛矿量子点的最高占据分子轨道homo能级，或n型有机半导体材料的最低未占分子轨道lumo能级低于钙钛矿量子点的最低未占分子轨道lumo能级。

一种有机半导体热电器件，其特征在于：在衬底上方形成冷热电极，在冷热电极上方沉积有机半导体层，在有机半导体层上沉积量子点，采用上述方法增强了有机半导体的热电性能，当左右两侧形成温度差时，冷热电极就会产生电流信号。

进一步，所述衬底为玻璃衬底；

进一步，所述冷热电极为铬/金电极；

进一步，所述有机半导体材料为n型或p型有机半导体。

进一步，所述量子点为钙钛矿量子点。

进一步，所述量子点采用溶液法或气相法将其沉积到有机半导体层上。

进一步，所述p型有机半导体材料的最高占据分子轨道homo能级高于钙钛矿量子点的最高占据分子轨道homo能级，或n型有机半导体材料的最低未占分子轨道lumo能级低于钙钛矿量子点的最低未占分子轨道lumo能级。

总而言之，本发明所提供的以上技术方案与现有技术方案对比，能够获得以下有益效果：

1)本发明提供的方法，适用于所有的有机半导体，只要找到能级匹配的量子点，就可以采用该方法提高其热电性能，是一种通用的方法。

2)本发明所提供的有机半导体/量子点异质结可用于溶液加工，将量子点直接溶液法沉积到有机半导体层上，即可构成有机半导体/量子点异质结。制备方法简单易行，适用于大规模工业化应用。

3)本发明所提供的有机半导体/量子点异质结可以大幅提升有机半导体的电导率和功率因子。进一步将有机半导体/量子点异质结应用到有机热电器件中可显著提高器件性能。

附图说明

图1本发明实施例中pdvt-10/cspbbr3qds异质结应用于热电器件的结构示意图；

图2本发明实施例中pdvt-10与cspbbr3qds构成异质结后，薄膜电导率随光照强度的变化关系；

图3本发明实施例中pdvt-10与cspbbr3qds构成异质结后，热电器件的功率因数随光照强度的变化关系；

具体实施方式

为了更加清楚的说明本发明的目的和优势，将以下实施例结合附图进一步详细说明本发明。以下所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并非用以限制本发明。

本发明实施采用钙钛矿量子点如cspbbr3qds与有机半导体材料如pdvt-10通过溶液旋涂的方式沉积到带有电极的衬底上，从而构成pdvt-10/cspbbr3qds异质结。在450nm的蓝光照射下，随着光照强度的逐渐增强，pdvt-10的薄膜电导率(conductivity)从1.30×10^-4sm^-1提升到2.65×10^-1sm^-1，而且热电器件中的功率因数(powerfactor)也逐渐升高到1.21×10^-1μwm^-1k^-2。

实施例1

有机热电器件的制备

有机热电器件结构为玻璃衬底/电极(cr/au)/pdvt-10/cspbbr3qds。实施例1的具体制备方法如下：

(1)在玻璃衬底上通过光刻和热蒸发制备图案化的电极，电极为cr/au(7nm/23nm)。

(2)将带有电极的玻璃衬底依次用去离子水、丙酮、异丙醇超声清洗，再经臭氧处理后转入手套箱。

(3)在充满氩气的手套箱中，将pdvt-10溶于光谱纯氯苯，配制浓度为5mg/ml的溶液。取配制好的pdvt-10溶液以1500转/分钟的转速旋涂在上述清洗好的带有电极的玻璃衬底上，并在180℃退火5分钟，从而制得pdvt-10薄膜。

(4)在充满氩气的手套箱中，将cspbbr3qds溶于正己烷中，配制浓度为20mg/ml的溶液。取配置好的cspbbr3qds溶液以2000转/分钟的转速旋涂在上述制备好的pdvt-10薄膜上，并以100℃退火10分钟，从而制得附图1所示热电器件。

(5)在热电器件的热电极侧加热，利用keithley2912a半导体分析仪测试器件的电流-电压关系，从而计算出薄膜的电导率和功率因数。薄膜的电导率和功率因数随光照强度的变化关系如附图2、3所示。

技术特征：

1.一种增强有机半导体热电性能的方法，其特征在于：以有机半导体材料为主体，将量子点沉积到有机半导体层上，形成有机半导体/量子点异质结，在光照条件下，在量子点中会产生大量的电子空穴对，电子空穴对传输至异质结界面处，电子空穴发生分离，电子或空穴进入有机半导体，增加了有机半导体的载流子浓度，从而提高了有机半导体的热电性能。

2.如权利要求1所述的一种增强有机半导体热电性能的方法，其特征在于所述有机半导体材料为n型或p型有机半导体。

3.如权利要求1所述的一种增强有机半导体热电性能的方法，其特征在于所述量子点为钙钛矿量子点。

4.如权利要求1所述的一种增强有机半导体热电性能的方法，其特征在于所述量子点采用溶液法或气相法将其沉积到有机半导体层上。

5.如权利要求2所述的一种增强有机半导体热电性能的方法，其特征在于所述p型有机半导体材料的最高占据分子轨道homo能级高于钙钛矿量子点的最高占据分子轨道homo能级，或n型有机半导体材料的最低未占分子轨道lumo能级低于钙钛矿量子点的最低未占分子轨道lumo能级。

6.一种有机半导体热电器件，其特征在于：在衬底上方形成冷热电极，在冷热电极上方沉积有机半导体层，采用如权利要求1-5任一所述的方法增强有机半导体的热电性能，当左右两侧形成温度差时，冷热电极之间就会产生电流信号。

7.如权利要求6所述的一种有机半导体热电器件，其特征在于所述有机半导体材料为n型或p型有机半导体。

8.如权利要求6所述的一种有机半导体热电器件，其特征在于所述量子点为钙钛矿量子点。

9.如权利要求6所述的一种有机半导体热电器件，其特征在于所述量子点采用溶液法或气相法将其沉积到有机半导体层上。

10.如权利要求7所述的一种有机半导体热电器件，其特征在于所述p型有机半导体材料的最高占据分子轨道homo能级高于钙钛矿量子点的最高占据分子轨道homo能级，或n型有机半导体材料的最低未占分子轨道lumo能级低于钙钛矿量子点的最低未占分子轨道lumo能级。

技术总结
本发明提供了一种增强有机半导体热电性能的方法以及制备有机半导体热电器件，本发明以有机半导体材料为主体，并将量子点沉积到有机半导体层上，形成有机半导体/量子点异质结。该方法工艺简单，成本低，具有通用性，高电导率和较大的功率因数，从而可以应用在热电器件领域。

技术研发人员：胡袁源;陈凯旋;陈平安;陈卓俊
受保护的技术使用者：湖南大学
技术研发日：2021.02.22
技术公布日：2021.05.07