窄帶隙量子點硫化鉛的光電性質及在光伏電池中的應用.pdf

1、當半導體材料的物理尺寸到達納米級別時，會表現(xiàn)出一些納米材料特有的性質。半導體量子點是一種有代表性的，具有準零維結構的納米材料。載流子在各個方向上的運動均受到限制，具有典型的量子局限效應，其能帶寬度和熒光發(fā)射光譜可以通過控制量子點的尺寸來進行調節(jié)。窄帶隙半導體量子點具有較寬的激發(fā)光譜和較窄的熒光發(fā)射光譜，熒光壽命長，斯托克斯位移較大等特點。由于量子點半導體具有這些優(yōu)異的光學、電學方面的性質，有潛力在太陽能電池、半導體發(fā)光器件、生物熒光標記

2、等領域得到廣泛應用。鉛的硫族元素化合物量子點，比如硫化鉛(PbS)量子點、硒化鉛(PbSe)量子點等，是目前納米材料領域備受關注的研究熱點之一。鉛的硫族化合物的載流子遷移率高，吸光能力強，并且具有較大的激子波爾半徑(18-200 nm)，可以在很大范圍內調節(jié)半導體量子點的帶隙寬度。PbS量子點的化學性質與其它鉛的硫族化合物量子點相比，相對比較穩(wěn)定，而且其帶隙可調范圍(0.41-2 eV)與太陽光的光譜更加匹配。因此，這些特性使PbS量子

3、點成為制備太陽能電池的理想材料之一。
　　 具有一維結構的半導體納米線材料同樣具有獨特的光電性質，可以用于制備高效率光伏器件。由于半導體納米線材料的高寬比很大，相對于半導體量子點材料，載流子可以沿納米線軸向快速傳輸，在載流子復合之前傳輸更遠的距離。而且，如果將納米線材料制備成具有三維結構的陣列形貌，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化性質。并分析了器件結構、摻雜效應、表面鈍化等因素對器件光伏性能的影響。主要工作包括：
　　 1.采用前驅體熱注入方法合成了PbS量子點，得到了尺寸分布均一，帶隙寬度在0.8-1.5 eV范圍內的半導體量子點。合成的量子點可以良好地分散在常用有機溶劑中。通過重復旋涂.配體交換.潤洗的薄膜制備過程，得到了厚度可控，光吸收和電學傳輸性質良好的PbS量子點薄膜。
　　 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。通過控制反應條件，實現(xiàn)了對納米線長度和密度的有效控制。對硅襯底表面進行了甲基化處理，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合速率，延長了少數(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/n-型硅異質結結構的光伏器件。通過對器件結構的優(yōu)化，基于徑向異質結的核殼結構器件的光電轉化效率達到了6.53％。通過對器件的電流密度-電壓輸出曲線、電容