膠質(zhì)量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池的光載流子輻射檢測(cè)研究.pdf

1、納米膠質(zhì)量子點(diǎn)(Colloidal quantum dot, CQD)材料是目前國(guó)際研究的焦點(diǎn)，可用于各種光電器件中，如光電探測(cè)器、光電二極管、太陽(yáng)能電池等。其中利用這種材料制成的第三代太陽(yáng)能電池，具有成本低、可實(shí)現(xiàn)大面積生產(chǎn)、寬太陽(yáng)能光譜吸收等優(yōu)點(diǎn)，為太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)帶來(lái)了新希望。然而，相比于塊體半導(dǎo)體，量子點(diǎn)材料的光電特性及很多實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象尚未被深入理解，這制約著其推廣應(yīng)用以及對(duì)器件性能的提升。精確的激子壽命測(cè)量是解釋材料光電實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的第

2、一步。雖然光致發(fā)光(Photoluminescence, PL)技術(shù)是測(cè)量激子壽命的主要手段，但其較低的測(cè)量精度，使得研究人員們還無(wú)法建立關(guān)于量子點(diǎn)中激子輸運(yùn)等動(dòng)態(tài)機(jī)制的精確物理模型。光載流子輻射測(cè)量技術(shù)(Photo-carrier radiometry, PCR)作為一種頻域PL調(diào)制技術(shù)，具有全光、無(wú)損、非接觸、快速等優(yōu)點(diǎn)，非常適用于檢測(cè)柔軟的易受損的CQD材料。PCR的頻率調(diào)制特性使其對(duì)CQD中激子的動(dòng)態(tài)弛豫過(guò)程進(jìn)行研究時(shí)顯示出高的

3、信噪比和精度，尤其是PCR信號(hào)的相位成分。但PCR技術(shù)欠缺與CQD材料相匹配的模型與方法。本文基于傳統(tǒng)PCR技術(shù)發(fā)展了CQD-PCR模型，完成了CQD中激子輸運(yùn)性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)研究和理論分析。
　　第一，發(fā)展了適用于量子點(diǎn)材料的CQD-PCR理論模型，使得PCR技術(shù)對(duì)半導(dǎo)體材料電參數(shù)的測(cè)量應(yīng)用領(lǐng)域從三維塊體材料擴(kuò)展到了零維量子點(diǎn)材料。
　?。?）建立了三種PCR頻域信號(hào)分析模型，用以反演CQD中的激子壽命，包括：根據(jù)任意的量子點(diǎn)尺

4、寸分布建立的連續(xù)單獨(dú)Voigt型高斯分布模型、簡(jiǎn)化的多重弛豫方式疊加的離散ad hoc模型和經(jīng)過(guò)嚴(yán)格數(shù)學(xué)推導(dǎo)得出的變分反演模型。
　?。?）發(fā)展了激子弛豫速率方程模型。該模型同時(shí)包含了激子的輻射復(fù)合和非輻射復(fù)合通道，并且分析了 PbS量子點(diǎn)材料的最低激子能級(jí)分裂以及最低激子能級(jí)與缺陷能級(jí)進(jìn)行能量交換時(shí)會(huì)有多個(gè)聲子參與的情況。
　　第二，搭建了PCR實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)兩種經(jīng)過(guò)不同表面修飾法得到的PbS CQD薄膜（非耦合樣品和耦

5、合樣品）的PCR實(shí)驗(yàn)研究，驗(yàn)證了量子點(diǎn)材料的CQD-PCR理論模型，為CQD材料中激子輸運(yùn)等動(dòng)態(tài)特性的研究開(kāi)辟了一條新的途徑。
　?。?）通過(guò)CQD-PCR頻率掃描實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了三種PCR頻域信號(hào)分析模型的正確性，反演重建得到了 PbS量子點(diǎn)薄膜材料在各溫度下的激子壽命分布譜線和精確的有效壽命。在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，Voigt型只適用于非耦合樣品，ad hoc型和變分反演法對(duì)兩種樣品都適用，但通過(guò)對(duì)比，變分反演法計(jì)算得到的激子壽命

6、譜線可靠性最高，并且能夠分辨出同時(shí)發(fā)生的不同激子弛豫機(jī)制，這在相關(guān)領(lǐng)域的研究中尚屬首例。研究發(fā)現(xiàn)具有不同量子點(diǎn)間距的薄膜材料，能夠產(chǎn)生不同類(lèi)型的壽命分布譜線，體現(xiàn)出不同的激子輸運(yùn)性質(zhì)，這對(duì)我們深入理解CQD材料中的激子弛豫機(jī)制具有重要意義。量子點(diǎn)間距離較長(zhǎng)的薄膜（非耦合樣品）中，光生激子被限制在本地復(fù)合，而量子點(diǎn)間距離較短的薄膜（耦合樣品）中，光生激子能夠通過(guò)最鄰近跳躍(Nearest neighbour hopping, NNH)和福

7、斯特共振能量轉(zhuǎn)移(F?rster resonance energy transfer, FRET)等方式進(jìn)入鄰近的量子點(diǎn)中，再?gòu)?fù)合回到基態(tài)。PCR方法測(cè)得的激子壽命精度高于時(shí)間分辨PL方法。
　?。?）分析隨溫度變化的激子壽命分布，驗(yàn)證了速率方程模型的正確性。分析中分別提取出了兩種樣品的輻射復(fù)合壽命τR和非輻射復(fù)合壽命τNR，并且計(jì)算得到了 PbS量子點(diǎn)的最低激子能級(jí)的分裂能量差。所得結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了兩種樣品中具有不同的激子弛豫方

8、式，也符合材料制備過(guò)程中采取了不同表面修飾方法這一情況。
　?。?）進(jìn)行了三種PCR輔助實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與PCR頻率掃描實(shí)驗(yàn)結(jié)果相互補(bǔ)充，具有良好的一致性，進(jìn)一步證明PCR技術(shù)是研究量子點(diǎn)材料光電特性的有效手段。PCR強(qiáng)度掃描實(shí)驗(yàn)說(shuō)明本文所用PbS量子點(diǎn)薄膜樣品對(duì)入射激光的響應(yīng)是線性的；根據(jù)Arrhenius公式對(duì)PCR溫度掃描實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，得到了兩種樣品的非輻射復(fù)合中心的激活能；PCR時(shí)間掃描實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了兩種樣品中所含缺

9、陷能級(jí)的狀態(tài)。
　　第三，首次成功利用 PCR技術(shù)對(duì)CQD太陽(yáng)能電池開(kāi)展了初步的實(shí)驗(yàn)研究。本工作中測(cè)試了PbS CQD點(diǎn)太陽(yáng)能電池的伏安特性曲線，并對(duì)其開(kāi)展了PCR頻率掃描實(shí)驗(yàn)，重建了太陽(yáng)能電池的光吸收層中的激子壽命分布譜線。發(fā)現(xiàn)電池中的激子壽命稍長(zhǎng)于單純薄膜中的激子壽命。
　　綜上所述，本文利用PCR技術(shù)成功開(kāi)展了對(duì)量子點(diǎn)材料性能的研究。建立了三種適用于量子點(diǎn)材料的PCR頻域信號(hào)分析模型，分別重建了兩種樣品的激子壽命分布譜