窄帶隙量子點(diǎn)硫化鉛的光電性質(zhì)及在光伏電池中的應(yīng)用.pdf

1、當(dāng)半導(dǎo)體材料的物理尺寸到達(dá)納米級(jí)別時(shí)，會(huì)表現(xiàn)出一些納米材料特有的性質(zhì)。半導(dǎo)體量子點(diǎn)是一種有代表性的，具有準(zhǔn)零維結(jié)構(gòu)的納米材料。載流子在各個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)均受到限制，具有典型的量子局限效應(yīng)，其能帶寬度和熒光發(fā)射光譜可以通過(guò)控制量子點(diǎn)的尺寸來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)。窄帶隙半導(dǎo)體量子點(diǎn)具有較寬的激發(fā)光譜和較窄的熒光發(fā)射光譜，熒光壽命長(zhǎng)，斯托克斯位移較大等特點(diǎn)。由于量子點(diǎn)半導(dǎo)體具有這些優(yōu)異的光學(xué)、電學(xué)方面的性質(zhì)，有潛力在太陽(yáng)能電池、半導(dǎo)體發(fā)光器件、生物熒光標(biāo)記

2、等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。鉛的硫族元素化合物量子點(diǎn)，比如硫化鉛(PbS)量子點(diǎn)、硒化鉛(PbSe)量子點(diǎn)等，是目前納米材料領(lǐng)域備受關(guān)注的研究熱點(diǎn)之一。鉛的硫族化合物的載流子遷移率高，吸光能力強(qiáng)，并且具有較大的激子波爾半徑(18-200 nm)，可以在很大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)半導(dǎo)體量子點(diǎn)的帶隙寬度。PbS量子點(diǎn)的化學(xué)性質(zhì)與其它鉛的硫族化合物量子點(diǎn)相比，相對(duì)比較穩(wěn)定，而且其帶隙可調(diào)范圍(0.41-2 eV)與太陽(yáng)光的光譜更加匹配。因此，這些特性使PbS量子

3、點(diǎn)成為制備太陽(yáng)能電池的理想材料之一。
　　 具有一維結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體納米線材料同樣具有獨(dú)特的光電性質(zhì)，可以用于制備高效率光伏器件。由于半導(dǎo)體納米線材料的高寬比很大，相對(duì)于半導(dǎo)體量子點(diǎn)材料，載流子可以沿納米線軸向快速傳輸，在載流子復(fù)合之前傳輸更遠(yuǎn)的距離。而且，如果將納米線材料制備成具有三維結(jié)構(gòu)的陣列形貌，可以有效地減小入射光的反射，得到非常好的光吸收效果。
　　 本文的研究工作以PbS量子點(diǎn)和硅納米線材料為主體，研究了基于這兩

4、種材料的光伏器件的光電轉(zhuǎn)化性質(zhì)。并分析了器件結(jié)構(gòu)、摻雜效應(yīng)、表面鈍化等因素對(duì)器件光伏性能的影響。主要工作包括：
　　 1.采用前驅(qū)體熱注入方法合成了PbS量子點(diǎn)，得到了尺寸分布均一，帶隙寬度在0.8-1.5 eV范圍內(nèi)的半導(dǎo)體量子點(diǎn)。合成的量子點(diǎn)可以良好地分散在常用有機(jī)溶劑中。通過(guò)重復(fù)旋涂.配體交換.潤(rùn)洗的薄膜制備過(guò)程，得到了厚度可控，光吸收和電學(xué)傳輸性質(zhì)良好的PbS量子點(diǎn)薄膜。
　　 2.在單晶硅襯底上利用金屬離子輔助

5、溶液刻蝕方法制備了規(guī)整的硅納米線陣列。通過(guò)控制反應(yīng)條件，實(shí)現(xiàn)了對(duì)納米線長(zhǎng)度和密度的有效控制。對(duì)硅襯底表面進(jìn)行了甲基化處理，降低了硅襯底表面的缺陷態(tài)密度，減小了載流子的表面復(fù)合速率，延長(zhǎng)了少數(shù)載流子的壽命，并顯著提高了硅襯底在空氣環(huán)境下的穩(wěn)定性。
　　 3.制備了具有PbS量子點(diǎn)/n-型硅異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的光伏器件。通過(guò)對(duì)器件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，基于徑向異質(zhì)結(jié)的核殼結(jié)構(gòu)器件的光電轉(zhuǎn)化效率達(dá)到了6.53％。通過(guò)對(duì)器件的電流密度-電壓輸出曲線、電容