硫化鉛量子點的合成及其新型異質(zhì)結(jié)光伏器件的研究.pdf

1、PbS是直接帶隙半導(dǎo)體材料，具有很高的吸收系數(shù)，塊體材料的帶隙為0.41eV，其激子波爾半徑為18nm，通過控制合成條件很容易得到具有量子效應(yīng)且能帶大小可控的PbS量子點，用以單結(jié)或多結(jié)的PbS量子點電池的制備。此外，PbS量子點還具有很強的多激子產(chǎn)生能力，在過去的數(shù)十年中，基于PbS量子點電池的研究受到科研人員的廣泛關(guān)注，轉(zhuǎn)化效率也有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。但是相比目前已經(jīng)發(fā)展成熟的第一代和第二代太陽能電池來說，PbS量子點電池的轉(zhuǎn)化效率仍

2、然偏低，電池性能的穩(wěn)定性相對較差，此外在PbS量子點合成方面由于硫源活性的限制，使得用于光伏電池的PbS量子點合成方法仍然單一，合成成本難以降低，并且電池的組裝過程難以面向大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)，這些都是其進(jìn)一步的商業(yè)化發(fā)展的不利因素。因此發(fā)展綠色、廉價、大規(guī)模的量子點合成和器件組裝工藝，并進(jìn)一步研究電池機理和提高電池轉(zhuǎn)化效率具有十分重要的意義。
　　針對以上，本文從構(gòu)建PbS量子點異質(zhì)結(jié)電池出發(fā)，使用n型CdS替代電子傳輸層材料。從

3、PbS量子點的合成出發(fā)，使用陽離子交換的方法獲得單分散性良好，尺寸可控的PbS量子點，并使用這種量子點構(gòu)建多結(jié)異質(zhì)結(jié)電池。主要研究成果如下:
　　1.發(fā)展了使用TMS作為硫源得到單分散性良好且性能穩(wěn)定的PbS量子點的技術(shù)路線。使用油酸合成的CdS量子點的十八烯溶液作為前驅(qū)體提供反應(yīng)所需的硫源，以PbCl2/OLA和PbNO3/OLA的前驅(qū)體溶液作為反應(yīng)的鉛源，使用離子交換的方法得到吸收峰位于800-1202nm范圍內(nèi)具有良好單分散

4、性的PbS量子點并探索了在這種離子交換過程中陽離子的固態(tài)擴散機制。這種方法解決了傳統(tǒng)硫粉活性較低和TMS價格昂貴，穩(wěn)定性較差的問題，為合成單分散性良好且尺寸可控的PbS量子點和量子點表面的無機配體原位鈍化提供了一個新的思路。
　　2.通過對反應(yīng)時間，反應(yīng)溶液濃度等的調(diào)控，實現(xiàn)了CdS薄膜在FTO表面上的可控生長。在此基礎(chǔ)上旋涂組裝PbS量子點薄膜層，構(gòu)建新型CdS/PbS量子點異質(zhì)結(jié)光伏電池。通過插入MoO3層得到PbS量子點與金

5、屬電極之間良好的歐姆接觸，改善空穴傳輸性能，CdS薄膜的厚度的優(yōu)化處理，得到了目前在CdS/PbS異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)中報道的最高5.22％的轉(zhuǎn)化效率?；瘜W(xué)浴沉積的方法具有合成溫度低，合成范圍大，對襯底材料的可選擇性大的優(yōu)點，為大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)提供了前景，同時在制各過程發(fā)現(xiàn)的電池性能對CdS薄膜厚度強烈的依賴性也為此類光伏器件的構(gòu)建提供了很好的參考價值。
　　3.使用化學(xué)浴沉積的方法在FTO上沉積一層CdS籽晶層，并結(jié)合水熱法生長出CdS

6、納米棒陣列。將PbS量子點旋涂滲入納米棒陣列的間隙位置，組裝了這種基于CdS納米棒陣列的3D異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的量子點光伏電池。通過調(diào)控CdS籽晶層的厚度來調(diào)節(jié)納米棒陣列的間隙，PbS量子點溶液的旋涂速度改善其滲透性，對不同旋涂層數(shù)的PbS薄膜的表面形貌的掃描電鏡圖像、透射光譜和轉(zhuǎn)化效率進(jìn)行實時監(jiān)控，得到最優(yōu)層數(shù)的致密3D異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。最后獲得了最高4.78％的轉(zhuǎn)化效率，相比同樣厚度的平面層有了明顯提升。
　　4.使用陽離子交換得到PbS量

7、子點，利用TBAI和EDT配體交換的量子點薄膜能帶結(jié)構(gòu)不同的特征，構(gòu)建了TiO2/PbS結(jié)構(gòu)的多結(jié)異質(zhì)結(jié)量子點電池。通過多結(jié)異質(zhì)結(jié)的構(gòu)建，鹵素離子的鈍化，得到了7.89％的最高轉(zhuǎn)化效率，短路電流，開路電壓和填充因子分別為30.96mA/cm2，0.49 V和51.9％。研究了在這種多結(jié)結(jié)構(gòu)中由于EDT層較高的導(dǎo)帶位置載流子單向的傳輸機制，TBAI層和EDT層在光活性層中的主要作用等。此外，鹵素離子鈍化的量子點電池具有較長的載流子擴散長度