窄带隙量子点硫化铅的光电性质及在光伏电池中的应用

摘要

当半导体材料的物理尺寸到达纳米级别时，会表现出一些纳米材料特有的性质。半导体量子点是一种有代表性的，具有准零维结构的纳米材料。载流子在各个方向上的运动均受到限制，具有典型的量子局限效应，其能带宽度和荧光发射光谱可以通过控制量子点的尺寸来进行调节。窄带隙半导体量子点具有较宽的激发光谱和较窄的荧光发射光谱，荧光寿命长，斯托克斯位移较大等特点。由于量子点半导体具有这些优异的光学、电学方面的性质，有潜力在太阳能电池、半导体发光器件、生物荧光标记等领域得到广泛应用。铅的硫族元素化合物量子点，比如硫化铅(PbS)量子点、硒化铅(PbSe)量子点等，是目前纳米材料领域备受关注的研究热点之一。铅的硫族化合物的载流子迁移率高，吸光能力强，并且具有较大的激子波尔半径(18-200 nm)，可以在很大范围内调节半导体量子点的带隙宽度。PbS量子点的化学性质与其它铅的硫族化合物量子点相比，相对比较稳定，而且其带隙可调范围(0.41-2 eV)与太阳光的光谱更加匹配。因此，这些特性使PbS量子点成为制备太阳能电池的理想材料之一。
　　 具有一维结构的半导体纳米线材料同样具有独特的光电性质，可以用于制备高效率光伏器件。由于半导体纳米线材料的高宽比很大，相对于半导体量子点材料，载流子可以沿纳米线轴向快速传输，在载流子复合之前传输更远的距离。而且，如果将纳米线材料制备成具有三维结构的阵列形貌，可以有效地减小入射光的反射，得到非常好的光吸收效果。
　　 本文的研究工作以PbS量子点和硅纳米线材料为主体，研究了基于这两种材料的光伏器件的光电转化性质。并分析了器件结构、掺杂效应、表面钝化等因素对器件光伏性能的影响。主要工作包括：
　　 1.采用前驱体热注入方法合成了PbS量子点，得到了尺寸分布均一，带隙宽度在0.8-1.5 eV范围内的半导体量子点。合成的量子点可以良好地分散在常用有机溶剂中。通过重复旋涂.配体交换.润洗的薄膜制备过程，得到了厚度可控，光吸收和电学传输性质良好的PbS量子点薄膜。
　　 2.在单晶硅衬底上利用金属离子辅助溶液刻蚀方法制备了规整的硅纳米线阵列。通过控制反应条件，实现了对纳米线长度和密度的有效控制。对硅衬底表面进行了甲基化处理，降低了硅衬底表面的缺陷态密度，减小了载流子的表面复合速率，延长了少数载流子的寿命，并显著提高了硅衬底在空气环境下的稳定性。
　　 3.制备了具有PbS量子点/n-型硅异质结结构的光伏器件。通过对器件结构的优化，基于径向异质结的核壳结构器件的光电转化效率达到了6.53％。通过对器件的电流密度-电压输出曲线、电容-电压特性、光电性能对入射光角度的依赖性等方面的分析，阐述了径向异质结器件在光伏应用中的独特优势。
　　 4.在具有正向结构、反向结构和PbS量子点.硅异质结光伏器件中，分别观测到了器件性能在与空气接触后得到大幅提高的现象。采用电容-电压测试、X射线光电子能谱测试、紫外光电子能谱测试和瞬态光电压衰减测试等手段对器件光电转化效率提升的原因进行了分析，得到了量子点掺杂浓度、表面钝化等因素与器件光伏性能之间的内在联系。