Ⅱ-Ⅵ族镉系量子点光伏器件的界面优化与性能调控

发布时间：2020-09-30 20:44

　　 Ⅱ-Ⅵ族半导体量子点具有较窄的直接带隙,对称的能带结构、低的俄歇复合率和更有效的光与电子相互作用等特性,在光伏器件、发光二极管和生物成像等领域展现出巨大的应用和发展潜力。然而,量子点表面原子占比高,表面陷阱态密度高,以及量子点器件界面层间的失配问题,导致器件性能远低于理论值。针对这些科学问题,本文以Ⅱ-Ⅵ族镉系量子点太阳能电池和光伏型探测器等光伏器件为研究对象,重点开展了量子点表面修饰、器件界面层优化和调控等研究,主要研究结果如下;提出一种双功能量子点表面修饰层的思路,在CdS量子点表面原位形成P型CuxS层,该界面层不仅可以降低CdS量子点表面缺陷,还与N型CdS在其表面建立PN异质结,促进电子-空穴分离。本文利用CuCl2前驱溶液与CdS量子点阳离子交互反应的方法,在CdS量子点表面进行Cu2+替换Cd2+的原位反应,进而在CdS量子点表面形成CuxS修饰层。CuxS作为窄带隙半导体,提高了光吸收强度,与CdS量子点相比,CdS/CuxS量子点敏化太阳能电池的光吸收转化效率提高了15%以上,短路电流密度提高了一倍。此外,P型CuxS与N型CdS形成界面PN异质结,在内建电场作用下促进电子-空穴分离,减少电子-空穴复合,与CdS量子点器件相比,CdS/CuxS量子点敏化太阳能电池的电荷收集效率从80%提高到了 92%。基于双功能界面层的作用,太阳能电池的光电转化效率由1.21%提高到了2.78%。为进一步提高量子点敏化太阳能电池的性能,本文利用化学浴法在CdS量子点表面原位沉积CdSe量子点,形成CdS/CdSe共敏化量子点活性层。同时,为解决量子点与载体(TiO2电子传输层)间界面缺陷浓度高的问题,采用原子层沉积方法(ALD)在TiO2电子传输层上沉积一层超薄高质量TiO2修饰层。因为修饰层与基底是同种物质,有效避免了界面能带失配问题。比表面积和表面能研究显示,经ALD修饰的TiO2载体的比表面积增加了7.2%,表面能提高了7.9%,显著提高了量子点负载量。因此,光吸收强度得以提高。此外,超薄TiO2层增加了颗粒间的连续性,减少表面缺陷,促进了电子的运输和传递,降低了电荷复合,从而使电子收集效率由97%提高到99%以上。最终,ALD修饰的CdS/CdSe量子点敏化电池,其光电转换效率从4.03%提升到了5.07%。为了实现从紫外(UV)到近红外(NIR)的光谱吸收和探测,本文在CdSe量子点中引入Te元素,形成CdSeTe三元量子点,并将其组装成宽波段响应(UV-NIR)的光伏型量子点探测器。该器件结构由电子传输层Ti02/CdSeTe量子点/有机空穴传输层/银电极组成。量子点表面的长链油酸(OA)配体可以防止量子点团聚,稳定保存,但严重影响了器件的电荷传输性能。为此,本文采用短链巯基乙酸(TGA)和导电离子卤素(TBAI)等配体依赖于量子点更强的结合能取代OA配体。研究结果表明,经配体交换后的量子点器件的电荷传输性能、光电流均得到明显提升,其中TBAI短链配体修饰的量子点探测器表现最为优异。该量子点光电探测器具有更短的响应时间(0.02 s),更低的暗电流,更宽的线性动态范围(69 dB),更大的探测率(8×1013 Jones)和更高的信噪比(1550)。另外,该器件在紫外到近红外的350～800 nm光谱范围内,探测率均在5×1012 Jones以上,优于当前报道的同类量子点探测器。本文设计出一种双空穴传输层结构的柔性CdSeTe量子点探测器,即在PEDOT:PSS空穴传输层上引入N,N-二苯基-N,N-双(4-甲基苯基)-4,4-联苯二胺(P-TPD)层。结果显示,具有较高的最低未占有分子轨道(LUMO)能级的P-TPD的引入解决了量子点与空穴传输层间的失配问题,有效充当抑制量子点电子反向流通的屏障,提高了器件的光电流密度(68%)。相比于单层空穴传输层器件,双层空穴传输层结构柔性探测器在紫外-可见-近红外区域显示出更高的器件性能,500 nm单色光作用下,探测率由2.5×1011提高到1×1012 Jones。该性能优于当前报道的柔性量子点探测器。此外,这种双层空穴传输层结构探测器对弱光响应表现优异,在5μW/cm2的光激发下,光电流可达196 nA/cm2。该柔性器件在弯折不同角度(0°、20°、40°、60°)和150个周期后,探测性能没有衰减,表现出良好的抗折性能。
【学位单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：O471.1;TM615
【部分图文】：

示意图,激子,多重,效应

能项随尺寸变化不是主要的。由此，我们可以看出，在限域效应尺寸范围内，逡逑随着量子点尺寸的减小，电子能级从连续分布逐渐变成离散分布，价带（Ｅｖ）逡逑和导带（Ｅ。）之间的距离即能隙（Ｅｇ）值逐渐变大如图２－１所示。对于同种半逡逑导体来说，我们仅仅需要调节量子点的尺寸，就可以得到不同能隙的量子点。逡逑这样，激子复合后发出的光也具有不同的能量。比如硒化镉，通过改变其量逡逑子点的尺寸，它的带隙调节范围几乎可以覆盖整个可见光区。逡逑（２）

透射电镜,量子点,透射电镜,热注入

的制备方法提供了可能，并且十八烯有着比三辛基氧化膦低的熔点，为量子逡逑点的后续钝化和修饰带来了方便。对溶剂的改进让量子点在器件应用上迈出逡逑了重要一步。图２－３是通过改进后的热注入法制备出尚质量的Ｃｄ系量子点。逡逑－８－逡逑

Ⅱ-Ⅵ族镉系量子点光伏器件的界面优化与性能调控

图１５９，６５）逡逑

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