半导体量子点光学性质调控及在太阳电池中的应用
Ⅱ-Ⅵ族和Ⅳ-Ⅵ族半导体纳米材料可通过结构、尺寸与组分等参数有效的调节其在可见-近红外波段的光学性质,因而在近几十年光伏器件与光电器件应用发展中备受关注.简便的半导体纳米晶体的合成技术方法对进一步研究量子点的物理化学性质和实际应用有重要意义.本论文围绕宽光谱的硫族化合物半导体量子点的制备与应用,利用溶液法制备半导体量子点的技术手段获得了稳定且尺寸可控的Ⅱ-Ⅵ族和Ⅳ-Ⅵ族半导体量子点;结合量子点表面特性调节和原子层沉积技术,制备了金属/PbS量子点/TiO2薄膜异质结构,并对其器件的光电流特性和光伏特性进行了研究.本论文取得的主要成果如下:
1.Ⅱ-Ⅵ族CdSe/CdS/ZnS核壳结构量子点光学性质的调控
为解决壳层包覆对生长条件比较苛刻的问题,我们提出了利用乙基黄原酸盐单分子前驱体制备核壳结构量子点.以此为基础,深入研究了生长条件对核壳结构量子点光学性质的影响.通过对量子点壳层厚度和壳层组分进行设计,实现了Ⅱ-Ⅵ族量子点的吸收峰在可见光波段内大范围调节.结果还表明单分子前驱体的使用使得生长条件的变化对核壳结构量子点的光学性质影响不大,其中壳层包覆温度可在175℃到255℃范围内调节,壳层前驱体注入速度从几秒钟到几十分钟范围内可调.生长温度和注入速度灵活可调等优势使量子点的光学调控更加方便.
提出了一步法合成尺寸均匀的CdSe/(CdS)x核壳结构量子点的方法;该方法进一步简化了核壳结构量子点合成工艺,有望为核壳结构量子点的规模化生产提供有效的途径.
2.近红外波段量子点的合成和光学性质调控
利用化学溶液法在无水无氧条件下制备了尺寸均匀的窄禁带半导体PbSe和PbS量子点,利用吸收光谱、XRD、TEM和HRTEM等手段研究了化学溶液法制备的PbSe和PbS量子点的形貌、尺寸分布以及红外吸收等特性.结果表明,所获得的PbSe和PbS量子点尺寸均匀,结晶性良好,并实现了量子点第一吸收峰的光谱范围在太阳光谱的近红外及短波红外区域可调.通过改变化学溶液的反应温度与前驱体比例等生长条件,PbS量子点在第一吸收峰在833nm到1700nm范围内可调,PbSe量子点的第一吸收峰从885nm到2099nm可调.研究结果为进一步构筑近红外波段量子点器件奠定了材料基础.
3.基于溶胶量子点的耗尽-异质结太阳电池结构构筑及性能研究
基于半导体纳米材料与器件的特性,特别是纳米结构中光吸收、光生载流子的产生和分离的原理过程,设计了耗尽-异质结太阳电池结构.基于溶胶量子点和原子层沉积(ALD)技术发展了量子点异质结结构太阳电池的制备工艺,并对器件的光伏特性进行研究.特别是基于PbS量子点表面调节与ALD生长TiO2薄膜的控制,构筑了FTO/TiO2/PbS/Au光伏器件,并通过改变TiO2薄膜的厚度和生长条件,初步探讨了TiO2薄膜对器件光伏特性的影响.
- 作者：
- 葛美英
- 学位授予单位：
- 中国科学院研究生院
- 专业名称：
- 微电子学与固体电子学
- 授予学位：
- 博士
- 学位年度：
- 2011年
- 导师姓名：
- 戴宁；陈鑫
- 关键词：
- 半导体量子点；光学性质调控；太阳电池；异质结构；表面特性；原子层沉积
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