硫化鉛量子點(diǎn)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(guò)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(diǎn)，用以單結(jié)或多結(jié)的PbS量子點(diǎn)電池的制備。此外，PbS量子點(diǎn)還具有很強(qiáng)的多激子產(chǎn)生能力，在過(guò)去的數(shù)十年中，基于PbS量子點(diǎn)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(yáng)能電池來(lái)說(shuō)，PbS量子點(diǎn)電池的轉(zhuǎn)化效率仍

2、然偏低，電池性能的穩(wěn)定性相對(duì)較差，此外在PbS量子點(diǎn)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(diǎn)合成方法仍然單一，合成成本難以降低，并且電池的組裝過(guò)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(jià)、大規(guī)模的量子點(diǎn)合成和器件組裝工藝，并進(jìn)一步研究電池機(jī)理和提高電池轉(zhuǎn)化效率具有十分重要的意義。
　　針對(duì)以上，本文從構(gòu)建PbS量子點(diǎn)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(diǎn)的合成出發(fā)，使用陽(yáng)離子交換的方法獲得單分散性良好，尺寸可控的PbS量子點(diǎn)，并使用這種量子點(diǎn)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(diǎn)的技術(shù)路線。使用油酸合成的CdS量子點(diǎn)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(diǎn)并探索了在這種離子交換過(guò)程中陽(yáng)離子的固態(tài)擴(kuò)散機(jī)制。這種方法解決了傳統(tǒng)硫粉活性較低和TMS價(jià)格昂貴，穩(wěn)定性較差的問(wèn)題，為合成單分散性良好且尺寸可控的PbS量子點(diǎn)和量子點(diǎn)表面的無(wú)機(jī)配體原位鈍化提供了一個(gè)新的思路。
　　2.通過(guò)對(duì)反應(yīng)時(shí)間，反應(yīng)溶液濃度等的調(diào)控，實(shí)現(xiàn)了CdS薄膜在FTO表面上的可控生長(zhǎng)。在此基礎(chǔ)上旋涂組裝PbS量子點(diǎn)薄膜層，構(gòu)建新型CdS/PbS量子點(diǎn)異質(zhì)結(jié)光伏電池。通過(guò)插入MoO3層得到PbS量子點(diǎn)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(bào)道的最高5.22％的轉(zhuǎn)化效率。化學(xué)浴沉積的方法具有合成溫度低，合成范圍大，對(duì)襯底材料的可選擇性大的優(yōu)點(diǎn)，為大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)提供了前景，同時(shí)在制各過(guò)程發(fā)現(xiàn)的電池性能對(duì)CdS薄膜厚度強(qiáng)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(jià)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(zhǎng)出CdS

6、納米棒陣列。將PbS量子點(diǎn)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(diǎn)光伏電池。通過(guò)調(diào)控CdS籽晶層的厚度來(lái)調(diào)節(jié)納米棒陣列的間隙，PbS量子點(diǎn)溶液的旋涂速度改善其滲透性，對(duì)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(shí)時(shí)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(yáng)離子交換得到PbS量

7、子點(diǎn)，利用TBAI和EDT配體交換的量子點(diǎn)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(diǎn)電池。通過(guò)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(kāi)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(jī)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(diǎn)電池具有較長(zhǎng)的載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度