过渡金属硒化物薄膜的溶剂热法制备及其在光电器件中的应用研究

发布时间：2020-06-11 09:52

【摘要】：过渡金属硫族化合物(Transition Metal Dichalcogenides,TMDs)是一类重要的半导体材料。其具有较窄的带隙,高的载流子迁移效率,以及较宽波长范围的光吸收特性,因而更易于开发性能优良的光电器件。相比于化学气相沉积、机械剥离等制备方法,基于溶液的合成方法,如水热法或溶剂热法,是一种低成本、易操作且易制备出大面积、均匀稳定薄膜的方法。然而目前为止,通过此类方法制备得到的硒化物绝大多数都是粉末,后续需要通过旋涂方式制作薄膜,以便制作光电器件。溶液法直接合成过渡金属硒化物薄膜可简化器件制作流程,提供大面积、高质量的薄膜材料,受到研究人员的关注。本论文中,我们致力于运用溶剂热法在不同基底上制备出过渡金属硒化物薄膜,并且利用制备得到的硒化物开发性能良好的光探测器件。同时,也尝试了采用金属硒化物薄膜作为染料敏化太阳能电池的对电极。研究的主要内容如下:1.利用溶剂热法在FTO玻璃、石英片衬底上直接制备出了均匀稳定的高质量WSe_2薄膜。制备得到的WSe_2薄膜由致密、稳定的层状纳米片组成。FTO衬底上的WSe_2薄膜厚度约为700nm,纳米片厚度为10nm,石英片衬底上的薄膜厚度约为1.2μm,纳米片厚度为20nm。此外,使用FTO衬底上的三维石墨烯薄膜作为生长框架,采用溶剂热法在石墨烯上直接生长出WSe_2纳米花,形成WSe_2/rGO复合物薄膜。2.分析了WSe_2薄膜的生长机制,重点研究了去离子水含量、合成温度以及反应时间对WSe_2薄膜的结构与形貌的影响。实验结果表明,去离子水对薄膜的生长具有重要的作用,但是去离子水的含量变化对薄膜的结构与形貌没有产生明显的影响;合成温度对薄膜的生长影响较大,薄膜的厚度随温度的升高显著增大,薄膜致密性和结晶性随温度的升高也逐渐提高;反应时间对薄膜的生长也有一定的影响,薄膜厚度随反应时间的增加而缓慢增大。3.将石英片衬底上制备得到的WSe_2薄膜制作光探测器并进行了光响应性能测试。在532nm激光的激发光源下,测得器件的响应时间为0.16s,光敏度为3.3mA/W;在405nm激光的激发光源下,器件的响应时间为0.7s,光敏度为5.8mA/W。与其他报道的基于溶液法(水热法、溶剂热法等)制备的TMDs光探测器相比,本论文中WSe_2光探测器的性能优越。4.采用溶剂热法分别在FTO衬底上和石英片衬底上制备出了MoSe_2薄膜。在FTO衬底上的MoSe_2薄膜均匀致密,表面平整;石英片衬底上的MoSe_2薄膜展现了层状纳米片的形态,纳米片厚度约为40nm。通过物相结构表征分析,表明了MoSe_2薄膜均为六方晶体结构,且结晶性良好。5.将FTO衬底上制备得到的WSe_2薄膜、WSe_2/rGO复合物薄膜作为对电极组装染料敏化太阳能电池,分别获得了1.69%、3.09%的光电转化效率,小于Pt对电极的7.37%的效率。将MoSe_2薄膜作为对电极组装染料敏化太阳能电池,获得了2.4%的光电转化效率,小于Pt对电极的7.14%的效率。
【图文】：

图 1-1 单层硒化钨分子结构图Fig. 1-1 Molecular structure of monolayer WSe21.2 染料敏化太阳能电池1.2.1 染料敏化太阳能电池简介太阳能电池，是一种将光能转换成电能的重要半导体光电器件[26]。太阳能电池能量转换过程的机理是：太阳光照射到半导体材料上经吸收光子能量后，，价带电子被激发跃迁产生参与导电的电子-空穴对[27]。太阳能电池种类包含第一代晶体硅太阳能电池、第二代薄膜太阳能电池[28]。然而第一和第二代太阳能电池的器件效率受限，而且其生产成本过高，同时易对环境产生较大的破坏，因此加快对新一代太阳能电池的研发是发展需求。新世纪以来，随着广大研究者的不懈努力，成本低廉、效率高的第三代太阳能电池应运而生。染料敏化太阳能电池是第三代太阳能电池中的代表，因其制作简单、制作

图 1-2 染料敏化太阳能电池的结构Fig.1-2 Structure of Dye-sensitized Solar Cell染料敏化太阳能电池基本工作原理染料敏化太阳能电池工作时，光子的捕获和光生载流子的传输分别是光阳极完成的。而对电极的使用能够有效降低电解液还原过电位，维电催化循环反应的进行。染料敏化太阳能电池工作的具体过程和机理]：1） 敏化剂吸收光子能量后，敏化剂分子（D）受光激发由基态跃迁发态（D*）：D+hv→D* (12） 激发态的敏化剂分子将电子注入到光阳极薄膜的导带中：Ds*+ TiO2→D++ e- ( TiO2) (1
【学位授予单位】：广东工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB383.2;TM914.4

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本文编号：2707731