Ⅱ-Ⅵ族镉系量子点光伏器件的界面优化与性能调控

论文摘要

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。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 1 引言
• 2 绪论
•   2.1 量子点的概况
•     2.1.1 量子点定义与特征
•     2.1.2 量子点发展历程
•     2.1.3 量子点的制备
•   2.2 量子点光伏器件
•     2.2.1 量子点敏化太阳能电池
•     2.2.2 量子点光伏探测器
•   2.3 量子点光伏器件界面调控
•   2.4 研究意义和研究内容
• 3 CdS量子点敏化太阳能电池的双功能界面修饰
•   3.1 前言
•   3.2 实验与表征
•     3.2.1 实验试剂与设备
• xS QDSCs的制备'>    3.2.2 CdS/Cu_xS QDSCs的制备
•   3.3 结果与讨论
• xS的制备和成分分析'>    3.3.1 Cu_xS的制备和成分分析
• xS光阳极的光谱分析'>    3.3.2 CdS/Cu_xS光阳极的光谱分析
•     3.3.3 电化学性能测试分析
•   3.4 本章小结
• 4 CdS/CdSe量子点敏化太阳能电池的阳极界面修饰
•   4.1 前言
•   4.2 实验与表征
•     4.2.1 实验试剂与设备
•     4.2.2 ALD修饰光阳极的制备
•     4.2.3 CdS/CdSe QDSCs的制备
•   4.3 结果与讨论
•     4.3.1 形貌表征与性能测试
•     4.3.2 ALD修饰对光阳极表面性质的影响
•     4.3.3 光阳极的光谱测试分析
•     4.3.4 电化学性能测试分析
•   4.4 本章小结
• 5 CdSeTe量子点光伏探测器界面配体修饰
•   5.1 前言
•   5.2 实验与表征
•     5.2.1 实验试剂与设备
•     5.2.2 CdSeTe探测器的制备
•   5.3 结果与讨论
•     5.3.1 三种配体修饰的量子点制备与性质测试
•     5.3.2 CdSeTe QDs探测器性能测试与机理分析
•     5.3.3 半透明器件
•   5.4 本章小结
• 6 基于双层空穴层的柔性半透明量子点光伏探测器
•   6.1 前言
•   6.2 实验与表征
•     6.2.1 实验试剂与设备
•     6.2.2 柔性探测器的制备
•   6.3 结果与讨论
•     6.3.1 CdSeTe QDs的基本性质
•     6.3.2 CdSeTe QD柔性探测器的性能测试与机理分析
•   6.4 本章小结
• 7 结论与展望
•   7.1 结论
•   7.2 创新点
•   7.3 展望
• 参考文献
• 作者简历及在学研究成果
• 学位论文数据集

文章来源

类型: 博士论文

作者: 沈婷

导师: 田建军

关键词: 量子点,界面调控,量子点敏化太阳能电池,量子点光伏探测器,光电特性

来源: 北京科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑,信息科技

专业: 物理学,电力工业,无线电电子学

单位: 北京科技大学

分类号: O471.1;TM615

总页数: 116

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