氫化納米硅薄膜硅量子點光電流響應調(diào)控.pdf

1、作為一種高效、低廉的納米結(jié)構(gòu)生長技術(shù)，自組裝半導體納米晶粒的出現(xiàn)為新一代的光電子器件以及光伏技術(shù)的發(fā)展開創(chuàng)了一條新的途徑。氫化納米硅薄膜是單晶硅和非晶硅的混相物質(zhì)，由納米尺度的單晶硅顆粒鑲嵌在氫化非晶硅的網(wǎng)絡中構(gòu)成。先前的研究已經(jīng)表明，氫化納米硅的混相體系可以有效降低在非晶硅材料中不可避免出現(xiàn)的光至衰退現(xiàn)象，從而有效地阻止了商用硅基薄膜太陽電池光電轉(zhuǎn)化效率隨光照時間加強而降低的難題。同時，氫化納米硅薄膜中大量存在的單晶硅量子點使得體系擁

2、有明顯的量子限制效應，這使得人們可以通過納米硅薄膜生長結(jié)構(gòu)來調(diào)控材料的光學帶隙以實現(xiàn)對太陽光譜的響應，從而獲得更高的光吸收效率。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，由于材料的高光吸收截面以及優(yōu)良的電導率，納米硅薄膜具有很好的光吸收系數(shù)以及光電流響應。所以許多小組正在積極嘗試將納米硅薄膜應用的單結(jié)或多結(jié)太陽電池中去以實現(xiàn)高效穩(wěn)定的新型硅基薄膜電池，并為人類的光伏領(lǐng)域帶來一場革命。
　　在本文中，我們從實驗和理論兩個方面詳細研究了氫化納米硅薄膜光電流響應光

3、譜特性，并討論了薄膜內(nèi)單晶硅量子點的粒徑分布情況對光譜分布的影響。在先前的研究報道中，人們已經(jīng)通過拉曼面掃描技術(shù)從實驗上觀察到了氫化納米硅薄膜內(nèi)的量子點粒徑漲落，并研究了薄膜生長中磷烷組分的濃度改變材料均勻性以及晶粒尺寸的作用同時討論了材料的生長機制。在這里，我們通過變溫電流電壓實驗觀察到并驗證了納米硅薄膜中硅量子點內(nèi)部因量子限制效應而造成的分裂能級結(jié)構(gòu)。根據(jù)這一結(jié)果，我們擬合分解了具有不同量子點粒徑分布的納米硅薄膜異質(zhì)結(jié)光電流響應光譜

4、，并通過對分解譜線的峰位、線寬以及強度并結(jié)合量子限制效應理論分析研究了薄膜內(nèi)量子點平均尺寸，粒徑漲落對光電流響應譜的影響。我們發(fā)現(xiàn)隨著量子點粒徑分布變廣，納米硅薄膜能通過增加光譜響應范圍來提高光吸收能力，然而量子點內(nèi)光生載流子電隧穿輸運能力會減弱，從而使得光電流積分強度呈現(xiàn)的先上升后下降的趨勢。
　　鑒于納米硅薄膜內(nèi)存在這種由量子限制效應引起的光學帶隙調(diào)控能力，我們研究了利用量子點粒徑分布調(diào)控手段來調(diào)節(jié)納米硅薄膜對光譜的響應范圍，

5、并討論了將其應用到新型太陽能電池的結(jié)構(gòu)中的設想。雖然在大多數(shù)基于量子點材料的光電子器件中，量子點生長時不可避免形成的尺寸漲落會引起輻射躍遷能級的錯位從而在光學吸收譜上導致非本征展寬并降低器件的性能。但是在光伏領(lǐng)域，這種光學吸收譜的展寬卻提供了一種便捷而有效的增強材料對太陽光吸收的方式被應用到量子點彩虹太陽電池中去，從而突破現(xiàn)有單結(jié)太陽電池的光電轉(zhuǎn)化效率極限。雖然由于量子點粒徑分布變寬而導致的量子點間能級錯位加劇會減弱電子隧穿輸運能力，從

6、而對光生載流子收集產(chǎn)生負面影響。正因為量子點粒徑分布變寬所導致的光吸收增強與輸運減弱同時發(fā)生，兩者競爭性地增強/減弱光電流。因此，本文工作揭示了通過調(diào)節(jié)合適的薄膜內(nèi)量子點粒徑分布來優(yōu)化電池的光電響應效率，從而提供了一種簡單低廉適用于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的納米硅薄膜生長策略來最大化太陽電池的效率。
　　以上的研究得到了國家自然科學基金重點項目(10734020)、國家重大基礎(chǔ)研究計劃(納米計劃)(2010CB933702)和上海市科學技術(shù)