不同半导体材料及其复合物的光电性质研究

发布时间：2017-08-26 06:01

  本文关键词：不同半导体材料及其复合物的光电性质研究

  更多相关文章： Cu_4Bi_4S_9 RGO α-Fe_2O_3 SPS EFISPS

【摘要】：光电材料是太阳能电池的基础,也是为人类社会提供可靠清洁能源过程中的关键一环。为了得到光电转换效率更高同时使用更可靠的太阳能电池,科研工作者必须对不同光电材料的光电特性进行深入的研究与探索。新型半导体材料Cu_4Bi_4S_9(CBS)具有很好的光稳定性、强太阳光吸收性以及宽光谱吸收范围等优异光电性质。这些优异的性质使其在太阳能电池领域拥有巨大的应用潜力。但是由于在CBS中存在较高的电子复合率,抑制了其光生电荷的分离,限制了其优良的光电性质,所以在论文中我们尝试在CBS中引入高电子迁移率的石墨烯或者氧化石墨烯(RGO)来改善CBS的光电特性。石墨烯或者还原氧化石墨烯(RGO)是一种拥有二维结构的碳同素异形体,而且其碳原子以sp2杂化的结合方式进行连接,形成一种六角形的结构形式。RGO特殊的结构形式使其拥有一些其他材料无法比拟的优良特性,例如在室温下具有非常高的电子迁移率、高比表面积、高热传导性等特性。由于这些优异的特性,在课题中我们尝试引入拥有高电子迁移率的RGO来改善CBS的光电特性。半导体材料α-Fe_2O_3拥有良好的化学稳定性、无毒性和低成本等优良特性,同时由于其合理的价带位置和良好的能带隙,可以作为电子受体的α-Fe_2O_3在光伏材料领域拥有极高的应用前景。在我们的课题中,我们将对这几种材料进行深入的研究与探索。本论文的研究内容主要分为三章论文第二章主要阐述了表面光电压技术(SPS)的发展历程以及基本原理,同时介绍了表面光电压谱仪器的基本结构和每一部分的功能机制。在章节的最后外场诱导下的表面光电压技术(EFISPS)也得到了详细的介绍。通过本章的研究,我们可以充分了解光面光电压的作用机制以及半导体材料表面光电压谱的主要测试方式。在论文第三章阐述了用水热法制备纯净CBS纳米带,然后在CBS纳米带胶体中加入不同质量比的RGO,制备成拥有不同RGO质量比的CBS-RGO复合物。在实验结论与分析中,通过分析样品的X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、高分辨透射电镜(TEM)、选定区电子衍射(SAED)和SPS来得出RGO对CBS光电性质的影响以及最合适的RGO质量比。论文第四章阐述了采用溶胶凝胶法在ITO导电玻璃上制备得到α-Fe_2O_3薄膜,然后在α-Fe_2O_3薄膜的基础上,把拥有1.6%RGO质量比的CBS-RGO复合物胶体和纯净CBS胶体分别旋涂到α-Fe_2O_3薄膜上,制备成α-Fe_2O_3/CBS-RGO和α-Fe_2O_3/CBS两种异质结结构及其太阳能电池。采用XRD、SEM、SPS、EFISPS以及I-V特征曲线等测试方法对其进行研究。我们的实验结果表明α-Fe_2O_3/CBS-RGO异质结比α-Fe_2O_3/CBS异质结拥有更强的表面光电压响应强度。所以通过把RGO引入CBS纳米带,CBS纳米带高电子复合率的缺陷得到改善,从而提升了异质结中的光生电荷分离效率,提升了其光电性能。同时根据光生电荷传输机制,在α-Fe_2O_3/CBS-RGO中,不同材料之间形成一种能级匹配,从而使光生电子能够顺利的从CBS传输到RGO,然后到达α-Fe_2O_3。通过EFISPS图谱的分析,在正向电场下α-Fe_2O_3/CBS-RGO的光电性质提升的幅度明显高于α-Fe_2O_3/CBS,这个实验结果进一步证明了RGO在异质结的光生电荷分离中所扮演的重要职能。根据α-Fe_2O_3/CBS-RGO和α-Fe_2O_3/CBS太阳能电池的I-V特征曲线,α-Fe_2O_3/CBS-RGO和α-Fe_2O_3/CBS太阳能电池的最大光电转换效率分别为6.8%和3.1%。此实验结论进一步证明了能带匹配、作为传输介质的RGO等因素对异质结光电性质的综合作用。
【关键词】：Cu_4Bi_4S_9 RGO α-Fe_2O_3 SPS EFISPS
【学位授予单位】：河南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN304;TB33
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-10
• 第一章 绪论10-22
• 1.1 材料10-11
• 1.1.1 光电复合材料及其传输机制10-11
• 1.1.2 几种光电材料的复合系统研究11
• 1.2 半导体材料的光生伏特效应11-15
• 1.2.1 半导体材料光生电荷的跃迁过程12-14
• 1.2.2 半导体的光伏效应类别14-15
• 1.3 半导体薄膜制备方法类别15-18
• 1.3.1 溶胶-凝胶法15
• 1.3.2 电沉积法15-16
• 1.3.3 溅射法16
• 1.3.4 化学浴法16
• 1.3.5 分子束外延法16-17
• 1.3.6 化学气相沉积法17
• 1.3.7 蒸镀法17-18
• 参考文献18-22
• 第二章 半导体材料光电性质检测方法22-34
• 2.1 前言22
• 2.2 表面光电压谱仪的发展过程22-23
• 2.3 表面光电压谱仪的构造23-24
• 2.4 表面光电压谱仪测试方法24-26
• 2.5 表面光电压产生的基本原理26-29
• 2.5.1 表面电子结构26-27
• 2.5.2 表面光伏效应27-29
• 2.6 半导体材料在外电场诱导下的光伏特性29-30
• 2.7 表面光电压技术在半导体材料中应用30
• 2.8 本章小结30-32
• 参考文献32-34
• 第三章 CBS-RGO复合物的合成、表征及其光电特性34-44
• 3.1 前言34
• 3.2 实验部分34-36
• 3.2.1 实验试剂34-35
• 3.2.2 测试仪器35
• 3.2.3 实验方法35-36
• 3.3 实验结果与讨论36-40
• 3.3.1 XRD图谱分析36-37
• 3.3.2 SEM和HRTEM图分析37-38
• 3.3.3 表面光电压谱分析38-40
• 3.4 结论40-41
• 参考文献41-44
• 第四章 α-FE_2O_3/CBS-RGO异制结光电性质及其光生电荷传输机制的研究44-58
• 4.1 前言44-45
• 4.2 试验部分45-46
• 4.2.1 试剂及样品制备45
• 4.2.2 测试仪器45-46
• 4.3 结果与讨论46-52
• 4.3.1 XRD图谱与相貌图分析46-47
• 4.3.2 表面光电压谱分析47-49
• 4.3.3 场诱导表面光电压谱(EFISPS)分析49-51
• 4.3.4 I-V特征曲线分析51-52
• 4.4 结论52-54
• 参考文献54-58
• 工作总结与展望58-60
• 致谢60-62
• 硕士期间发表论文和已完成的工作62-63

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本文编号：740060