本文選題：鹵氧化鉍　切入點(diǎn)：光生載流子　出處：《電子科技大學(xué)》2017年博士論文

【摘要】：鹵氧化鉍作為一類典型Ⅴ-Ⅵ-Ⅶ族半導(dǎo)體材料,具有獨(dú)特的內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)和良好的光催化活性。特別是自鹵氧化鉍被報(bào)道具有光電活性以來,因其低毒、廉價(jià)等特點(diǎn)在光伏電池領(lǐng)域的潛在應(yīng)用也備受關(guān)注。本論文旨在通過環(huán)境友好的綠色合成手段,在低溫下制備出鹵氧化鉍及鹵氧鉍基異質(zhì)結(jié)薄膜材料,通過對實(shí)驗(yàn)參數(shù)的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)對產(chǎn)物的微觀形貌、晶體結(jié)構(gòu)和晶體生長方向等的調(diào)控;通過表面修飾技術(shù)或鹵族元素本身的自摻雜(BiOXnY1-n),實(shí)現(xiàn)對鹵氧鉍基納米材料帶隙和界面微結(jié)構(gòu)的調(diào)控;綜合利用電化學(xué)交流阻抗(EIS)、莫特-肖特基(Mott-Schottky)曲線、穩(wěn)態(tài)表面光電壓(SPV)和瞬態(tài)表面光電壓(TPV)等技術(shù)重點(diǎn)研究鹵氧化鉍半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電類型、能帶結(jié)構(gòu)及鹵氧鉍基異質(zhì)結(jié)表/界面空間電荷區(qū)中光生載流子的產(chǎn)生、分離、傳輸和復(fù)合機(jī)制;通過上述研究實(shí)現(xiàn)對鹵氧鉍基異質(zhì)結(jié)界面結(jié)構(gòu)的調(diào)控,弄清這類異質(zhì)結(jié)電池的工作機(jī)制,建立鹵氧鉍基雜化本體異質(zhì)結(jié)薄膜太陽能電池材料合成方法及器件模型。其主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)和結(jié)論如下:1、實(shí)現(xiàn)了對BiOX(X=CI、Br、I)薄膜導(dǎo)電類型的調(diào)控。半導(dǎo)體的表面態(tài)決定著半導(dǎo)體的類型,BiOCI、BiOBr和BiOI雖然同屬于鹵氧化鉍半導(dǎo)體且具有相似的晶體結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu),但是由于受到各自表面態(tài)的影響而分別表現(xiàn)出不同的導(dǎo)電類型。莫特-肖特基(Mott-Schottky)曲線和表面光電壓測試結(jié)果表明:室溫下利用順序離子層沉積法(SILAR)制備的BiOCI和BiOI納米片陣列薄膜顯示n-型半導(dǎo)體的特性,而BiOBr薄膜卻顯示p-型半導(dǎo)體的特性,而已報(bào)道的多數(shù)文獻(xiàn)中常把鹵氧化鉍均作為p-型半導(dǎo)體材料來研究。通過在BiOBr薄膜中摻雜適量的碘,可改變其P-型半導(dǎo)體的特性,得到n-型BiOBr1-xIx薄膜材料,并且顯著提高鹵氧化鉍薄膜材料中載流子的密度,從而提高薄膜的光電性能。2、通過摻雜實(shí)現(xiàn)了鹵氧化鉍薄膜帶隙的連續(xù)調(diào)控。首次在室溫下利用SILAR法成功制備了具有完美的單晶結(jié)構(gòu)的I摻雜BiOBr1-xIx(x=0.139、0.212、0.488)納米片陣列薄膜,其優(yōu)勢生長晶面為(110)面,I的摻雜并沒有改變BiOBr本身的晶體結(jié)構(gòu),I可以進(jìn)入BiOBr的晶格替代了部分Br;隨著I摻雜量的增加,BiOBr1-xIx薄膜的顏色逐漸加深,吸收波長紅移,帶隙值在2.84 eV～1.89 eV范圍內(nèi)進(jìn)行變化。說明通過I的摻雜窄化了鹵氧化鉍薄膜的禁帶寬度,實(shí)現(xiàn)了對鹵氧化鉍薄膜帶隙的連續(xù)調(diào)控。3、實(shí)現(xiàn)了鹵氧鉍基異質(zhì)結(jié)薄膜的原位構(gòu)建及界面微結(jié)構(gòu)調(diào)控。采用SILAR和CBD及離子交換等方法相結(jié)合,低溫構(gòu)筑了 BiOBr/CdS、BiOBr/Bi2S3及柔性BiOI/Bi2S3納米片異質(zhì)結(jié)薄膜材料。硫化物在鹵氧化鉍納米片表面的生長具有晶面取向性,比如Bi2S3納米顆粒會(huì)優(yōu)先選擇生長在BiOBr的(110)晶面上。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)鹵氧化鉍/硫化物異質(zhì)結(jié)的構(gòu)建可以有效提高光生載流子的分離效率,延長載流子壽命。以BiOBr/CdS為例,在p-BiOBr/n-CdS異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)中,光生電荷的產(chǎn)生、分離和傳輸過程既受到界面內(nèi)建電場的影響又取決于BiOBr和CdS的表面電場,同時(shí)依賴于外層CdS納米顆粒的厚度和入射光的波長;當(dāng)入射光波長較長時(shí)(λ360 nm),界面電場和表面電場共同影響光生電荷的分離和傳輸;而當(dāng)入射光波長較短時(shí)(λ 360 nm),其表面電場在光生電荷的分離和傳輸?shù)倪^程中起主導(dǎo)作用;n-型BiO1和n-Bi2S3之間構(gòu)成了同型異質(zhì)結(jié)(n-n結(jié)),而BiO1和Bi2S3之間的光生電荷轉(zhuǎn)移過程可以通過n-n半導(dǎo)體的Z-型機(jī)理進(jìn)行解釋。4、鹵氧鉍基雜化本體異質(zhì)結(jié)薄膜太陽能電池器件光伏性能及機(jī)理研究。我們組裝的鹵氧鉍基異質(zhì)結(jié)薄膜太陽能電池器件的光電轉(zhuǎn)換效率為1.26%,雖然目前效率還不高、有待進(jìn)一步的優(yōu)化,但據(jù)我們所知該效率已是報(bào)道的鹵氧化鉍光電轉(zhuǎn)化效率的最高值。此外,我們發(fā)現(xiàn)硫化物的沉積量對異質(zhì)結(jié)薄膜光電性能起著至關(guān)重要的影響,隨著硫化物納米顆粒沉積厚度的增加,異質(zhì)結(jié)薄膜的光電性能逐漸提高。但當(dāng)過量的硫化物納米顆粒聚集在BiOX納米片表面時(shí),反而會(huì)阻礙光生電子-空穴的分離和遷移,致使光電性能明顯下降。系統(tǒng)的光伏性能及機(jī)理研究表明:光生載流子有效的分離、較快的傳輸及壽命的延長將有助于提高異質(zhì)結(jié)薄膜器件的光伏性能。
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【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TB383.2;TM914.4

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：1689130