本文關(guān)鍵詞：多元硫族納米材料的溶劑熱法制備及光電性質(zhì)研究

  更多相關(guān)文章： 多元硫族半導(dǎo)體 納米線 納米晶 納米光子學(xué) 光電性質(zhì) 太陽能電池

【摘要】：光電材料是人們解決新信息技術(shù)和能源技術(shù)的重要基礎(chǔ),傳統(tǒng)二元材料的基本特性和應(yīng)用范圍都已經(jīng)有了全面而深入的研究,開拓新的多元材料及其應(yīng)用實(shí)乃拓展相關(guān)技術(shù)進(jìn)步的當(dāng)務(wù)之急。融合了納米技術(shù)與光子學(xué)的納米光子學(xué)學(xué)科,主要解決在與光波長相當(dāng)或亞波長尺度上光與物質(zhì)的相互作用的根本原理,其在物理學(xué)、化學(xué)、工程學(xué)、生物學(xué)、生物醫(yī)藥等等方面都提出了新的問題,也創(chuàng)造出了新的機(jī)會(huì)。在近十年來得到了飛速發(fā)展,作為一門獨(dú)立的學(xué)科分支,納米光子學(xué)讓人們有了更多新的視角來審視光與物質(zhì)的相互作用,這些視角也能讓人們可以獲得更多的新物性和應(yīng)用。傳統(tǒng)的二元化合物半導(dǎo)體材料主要有1)Ⅱ-VI族半導(dǎo)體材料,由Ⅱ族元素Zn、Cd、Hg和Ⅵ族元素S、Se、Te、O形成的化合物,典型代表為ZnS、CdTe、HgTe。2)III-V族半導(dǎo)體材料,由Ⅲ族元素Al、Ga、In和V族元素P、As、Sb形成的化合物,典型代表為GaAs。3)IV-IV族半導(dǎo)體材料,典型代表為SiC和Ge-Si。這些二元半導(dǎo)體材料因其具有獨(dú)特能帶結(jié)構(gòu)和性質(zhì),在光電器件、微波器件、紅外器件和超高速微電子器件及電路方面都已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。二元的半導(dǎo)體納米材料的物性及應(yīng)用研究開發(fā),在過去數(shù)十年中,已經(jīng)十分全面深入。然而,仍有諸多新的物性需求、應(yīng)用需求尚未能滿足。故而人們將研究焦點(diǎn)擴(kuò)展至新的多元材料,試圖尋找到新材料,探索其新的物性和新場景下的新應(yīng)用,這是當(dāng)前研究的機(jī)會(huì)也是迫切的需要。盡管目前已經(jīng)有一些新的多元化合物納米材料被制備和研究,但是從深度和廣度上以及應(yīng)用領(lǐng)域方面都還是很不夠的。本論文試圖用低成本、便捷的溶劑熱法合成多元硫族半導(dǎo)體納米材料,并實(shí)現(xiàn)形貌控制;并重點(diǎn)進(jìn)行了其光電性質(zhì)的研究,為器件應(yīng)用做好物性準(zhǔn)備;最后,通過制備器件簡單展示了其在光電器件中應(yīng)用的潛力。具體研究內(nèi)容如下所述:(1)從二元的CuS及Bi2S3材料合成開始,系統(tǒng)研究了三元Cu-Bi-S納米材料合成的影響因素,分別合成了Cu3Bi3S7納米棒、Cu4Bi4S9納米線以及Cu4Bi4S9納米帶。表征結(jié)果說明所制備的Cu-Bi-S三元硫族系列納米材料均具有相當(dāng)高的品質(zhì)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)溶劑沸點(diǎn)和反應(yīng)溫度之間的差值在Cu4Bi4S9納米帶的生長過程中扮演了重要角色,通過控制溶劑沸點(diǎn)和反應(yīng)溫度之間的差值,以調(diào)節(jié)晶體生長的成核和生長速率,最終實(shí)現(xiàn)了Cu4Bi4S9納米帶可控的超長生長。(2)系統(tǒng)研究了溶劑熱法合成的一維Cu-Bi-S基納米材料的光電性質(zhì)。通過吸收光譜測量確定Cu4Bi4S9納米材料的光學(xué)帶隙為0.93 eV,所得數(shù)值與循環(huán)伏安法測得到的帶隙1.05 eV相當(dāng),電化學(xué)還得到Cu4Bi4S9納米材料的價(jià)帶頂能級位置為-5.24 eV和導(dǎo)帶底能級位置為-4.19 eV。進(jìn)一步制備了單根Cu4Bi4S9納米線器件,并對其電輸運(yùn)性質(zhì)和光電導(dǎo)性質(zhì)進(jìn)行了研究。研究表明,Cu4Bi4S9納米線在10-140 K溫度區(qū)域時(shí),表現(xiàn)為典型的半導(dǎo)體。在150-300 K溫度區(qū)域時(shí),Cu4Bi4S9納米線的載流子輸運(yùn)特性呈現(xiàn)出金屬特性。在中等溫度區(qū),載流子的輸運(yùn)特性可以通過在小極化子模型來描述。在低溫區(qū),載流子的輸運(yùn)特性可以用可變范圍跳躍機(jī)制來描述。此外,單根納米線器件也表現(xiàn)出了良好的光響應(yīng)特性。進(jìn)一步研究了Cu4Bi4S9納米線作為場發(fā)射器的應(yīng)用,表現(xiàn)出相對低的開啟電壓為6.9 V/μm。我們還第一次觀察到Cu4Bi4S9納米帶在1200-2200nm的范圍內(nèi)有比較強(qiáng)的紅外線輻射發(fā)光。最后,后來者制備了一維Cu-Bi-S基納米材料太陽能電池,其光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了6.2%。(3)溶劑熱法合成了Cu3SbS4納米晶體,并研究了其光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)。用紫外-可見光譜和循環(huán)伏安法分別測試了其光學(xué)帶隙和導(dǎo)帶及價(jià)帶的能級位置。光學(xué)帶隙為1.44 eV,其與電化學(xué)所得數(shù)據(jù)1.6 eV是相吻合的。1.44 eV與最優(yōu)光伏帶隙(1.5eV)相接近,這表明Cu3SbS4是有潛力的光伏材料。合成方面,研究了硫源用量對Cu3SbS4納米晶生長的影響,找到了制備純Cu3SbS4納米晶相的硫源用量。通過改變Cu和Sb前軀體的摩爾用量實(shí)現(xiàn)了Cu-Sb-S納米晶的組分可調(diào)。用不同[Cu]/[Sb]的納米晶制備了倒裝混合型光伏電池,發(fā)現(xiàn)[Cu]/[Sb]≈3.2時(shí)得到了最佳的Voc,Jsc,FF以及PCE,分別為0.46 V,3.01 mA/cm2,31%以及0.43%,PCE值是參比器件的13倍。(4)溶劑熱法合成了Cu2ZnSnS4納米晶體,得到形貌均一的納米晶,實(shí)驗(yàn)得出了合適的溶劑以及清洗流程使所制備的Cu2ZnSnS4納米晶體具有良好的分散性,并解釋了納米晶的形成過程。為進(jìn)一步優(yōu)化納米晶生長的可控性,研究了硫源用量對納米晶的生長影響。利用電化學(xué)循環(huán)伏安法、紫外-可見吸收研光譜研究其Cu2ZnSnS4納米晶的光學(xué)帶隙、能級結(jié)構(gòu)。最后,制備了Cu2ZnSnS4納米晶作為光吸收層的光伏電池,展示其在光伏應(yīng)用的潛力。
【關(guān)鍵詞】：多元硫族半導(dǎo)體 納米線 納米晶 納米光子學(xué) 光電性質(zhì) 太陽能電池
【學(xué)位授予單位】：北京理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TB383.1
【目錄】：

• 摘要5-7
• abstract7-13
• 第1章 緒論13-68
• 1.1 引言13-15
• 1.2 納米光子學(xué)的理論基礎(chǔ)及研究領(lǐng)域15-27
• 1.2.1 理論基礎(chǔ)15-19
• 1.2.2 研究領(lǐng)域19-27
• 1.3 目前多元硫族化合物半導(dǎo)體材料的研究進(jìn)展和應(yīng)用范圍27-42
• 1.3.1 多元硫化物半導(dǎo)體納米材料的研究進(jìn)展29-39
• 1.3.2 多元氧化物半導(dǎo)體納米材料的研究進(jìn)展39-42
• 1.4 多元硫族半導(dǎo)體納米材料制備及表征42-49
• 1.4.1 多元硫族半導(dǎo)體納米材料的生長機(jī)理和形貌控制42-43
• 1.4.2 多元硫族半導(dǎo)體納米材料的制備方法43-47
• 1.4.3 多元硫族半導(dǎo)體納米材料的表征及光電性能測試47-49
• 1.5 本論文的研究內(nèi)容和意義49-51
• 參考文獻(xiàn)51-68
• 第2章 多元Cu-Bi-S基半導(dǎo)體納米材料的溶劑熱法合成、表征及一維結(jié)構(gòu)的可控生長68-87
• 2.1 引言68-69
• 2.2 實(shí)驗(yàn)部分69-71
• 2.2.1 CuS納米六角片的合成69-70
• 2.2.2 Bi_2S_3納米棒的合成70
• 2.2.3 三元Cu_3Bi_3S_7納米棒的合成70
• 2.2.4 三元Cu_4Bi_4S_9納米線的合成70-71
• 2.2.5 三元Cu_4Bi_4S_9納米帶的合成71
• 2.2.6 樣品的表征儀器71
• 2.3 結(jié)果與討論71-82
• 2.3.1 CuS納米六角片的形貌表征71-72
• 2.3.2 Bi_2S_3納米棒的形貌表征72-73
• 2.3.3 Cu_3Bi_3S_7納米棒的形貌與結(jié)構(gòu)表征73-74
• 2.3.4 三元Cu_4Bi_4S-9納米線的形貌與結(jié)構(gòu)表征74-75
• 2.3.5 三元Cu_4Bi_4S_9納米帶的形貌與結(jié)構(gòu)表征75-78
• 2.3.6 三元Cu_4Bi_4S_9納米帶的長度可控合成78-82
• 2.4 本章小結(jié)82-83
• 參考文獻(xiàn)83-87
• 第3章 多元一維Cu-Bi-S半導(dǎo)體納米材料的光電器件制備及性質(zhì)研究87-109
• 3.1 引言87-88
• 3.2 實(shí)驗(yàn)部分88-90
• 3.2.1 一維Cu-Bi-S納米材料的光學(xué)及電化學(xué)性質(zhì)測試88
• 3.2.2 單根一維Cu-Bi-S納米材料的器件制備88-89
• 3.2.3 一維Cu-Bi-S納米材料的PL測試系統(tǒng)搭設(shè)89
• 3.2.4 Cu-Bi-S納米材料能帶結(jié)構(gòu)的理論計(jì)算方法89
• 3.2.5 一維Cu-Bi-S納米材料的場發(fā)射器件制備89
• 3.2.6 一維Cu-Bi-S納米材料的光伏器件制備89-90
• 3.3 結(jié)果與討論90-103
• 3.3.1 一維Cu-Bi-S納米材料的光學(xué)及電化學(xué)性質(zhì)90-91
• 3.3.2 一維Cu-Bi-S納米材料的光電導(dǎo)性質(zhì)91-93
• 3.3.3 一維Cu-Bi-S納米材料的電輸運(yùn)性質(zhì)93-95
• 3.3.4 一維Cu-Bi-S納米材料的場發(fā)射性質(zhì)95-98
• 3.3.5 一維Cu-Bi-S納米材料的近紅外熒光性質(zhì)98-99
• 3.3.6 Cu-Bi-S納米材料的能帶結(jié)構(gòu)計(jì)算99-101
• 3.3.7 一維Cu-Bi-S納米材料的光伏性質(zhì)101-103
• 3.4 本章小結(jié)103-104
• 參考文獻(xiàn)104-109
• 第4章 溶劑熱法合成Cu_3SbS_4納米晶及其倒裝混合太陽能電池應(yīng)用109-127
• 4.1 引言109-110
• 4.2 實(shí)驗(yàn)部分110-112
• 4.2.1 CAS納米晶的合成110-111
• 4.2.2 CAS納米晶的表征111
• 4.2.3 CAS納米晶的光伏器件制備111-112
• 4.3 結(jié)果與討論112-122
• 4.3.1 CAS納米晶的合成及表征112-113
• 4.3.2 CAS納米晶的光學(xué)和電化學(xué)性質(zhì)113-115
• 4.3.3 前驅(qū)體中硫源濃度對CAS納米晶制備的影響115-117
• 4.3.4 CAS納米晶的組分可調(diào)性研究117-119
• 4.3.5 倒裝混合CAS納米晶太陽能電池119-122
• 4.4 本章小結(jié)122-123
• 參考文獻(xiàn)123-127
• 第5章 溶劑熱法合成Cu_2ZnSnS_4納米晶及其溶液加工的太陽能電池研究127-142
• 5.1. 引言127-128
• 5.2 實(shí)驗(yàn)部分128-130
• 5.2.1 CZTS納米晶的合成128-129
• 5.2.2 CZTS納米晶的材料表征129
• 5.2.3 CZTS納米晶的器件制備129-130
• 5.3 結(jié)果及討論130-136
• 5.3.1 CZTS納米晶的表征130-131
• 5.3.2 CZTS納米晶的光學(xué)和電化學(xué)性質(zhì)131-132
• 5.3.3 CZTS納米晶的生長機(jī)理132-133
• 5.3.4 S源濃度和Sn源種類對最終CZTS納米晶的影響133-134
• 5.3.5 CZTS納米晶基的太陽能電池制備及性能測試134-136
• 5.4 本章小結(jié)136-138
• 參考文獻(xiàn)138-142
• 結(jié)論142-145
• 攻讀學(xué)位期間發(fā)表論文與研究成果清單145-147
• 致謝147

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本文編號：1058592