膠質(zhì)量子點太陽能電池的光載流子輻射檢測研究.pdf

1、納米膠質(zhì)量子點(Colloidal quantum dot, CQD)材料是目前國際研究的焦點，可用于各種光電器件中，如光電探測器、光電二極管、太陽能電池等。其中利用這種材料制成的第三代太陽能電池，具有成本低、可實現(xiàn)大面積生產(chǎn)、寬太陽能光譜吸收等優(yōu)點，為太陽能電池產(chǎn)業(yè)帶來了新希望。然而，相比于塊體半導(dǎo)體，量子點材料的光電特性及很多實驗現(xiàn)象尚未被深入理解，這制約著其推廣應(yīng)用以及對器件性能的提升。精確的激子壽命測量是解釋材料光電實驗現(xiàn)象的第

2、一步。雖然光致發(fā)光(Photoluminescence, PL)技術(shù)是測量激子壽命的主要手段，但其較低的測量精度，使得研究人員們還無法建立關(guān)于量子點中激子輸運等動態(tài)機制的精確物理模型。光載流子輻射測量技術(shù)(Photo-carrier radiometry, PCR)作為一種頻域PL調(diào)制技術(shù)，具有全光、無損、非接觸、快速等優(yōu)點，非常適用于檢測柔軟的易受損的CQD材料。PCR的頻率調(diào)制特性使其對CQD中激子的動態(tài)弛豫過程進行研究時顯示出高的

3、信噪比和精度，尤其是PCR信號的相位成分。但PCR技術(shù)欠缺與CQD材料相匹配的模型與方法。本文基于傳統(tǒng)PCR技術(shù)發(fā)展了CQD-PCR模型，完成了CQD中激子輸運性質(zhì)的實驗研究和理論分析。
　　第一，發(fā)展了適用于量子點材料的CQD-PCR理論模型，使得PCR技術(shù)對半導(dǎo)體材料電參數(shù)的測量應(yīng)用領(lǐng)域從三維塊體材料擴展到了零維量子點材料。
　?。?）建立了三種PCR頻域信號分析模型，用以反演CQD中的激子壽命，包括：根據(jù)任意的量子點尺

4、寸分布建立的連續(xù)單獨Voigt型高斯分布模型、簡化的多重弛豫方式疊加的離散ad hoc模型和經(jīng)過嚴格數(shù)學(xué)推導(dǎo)得出的變分反演模型。
　?。?）發(fā)展了激子弛豫速率方程模型。該模型同時包含了激子的輻射復(fù)合和非輻射復(fù)合通道，并且分析了 PbS量子點材料的最低激子能級分裂以及最低激子能級與缺陷能級進行能量交換時會有多個聲子參與的情況。
　　第二，搭建了PCR實驗系統(tǒng)，通過對兩種經(jīng)過不同表面修飾法得到的PbS CQD薄膜（非耦合樣品和耦

5、合樣品）的PCR實驗研究，驗證了量子點材料的CQD-PCR理論模型，為CQD材料中激子輸運等動態(tài)特性的研究開辟了一條新的途徑。
　?。?）通過CQD-PCR頻率掃描實驗結(jié)果驗證了三種PCR頻域信號分析模型的正確性，反演重建得到了 PbS量子點薄膜材料在各溫度下的激子壽命分布譜線和精確的有效壽命。在數(shù)據(jù)處理過程中發(fā)現(xiàn)，Voigt型只適用于非耦合樣品，ad hoc型和變分反演法對兩種樣品都適用，但通過對比，變分反演法計算得到的激子壽命

6、譜線可靠性最高，并且能夠分辨出同時發(fā)生的不同激子弛豫機制，這在相關(guān)領(lǐng)域的研究中尚屬首例。研究發(fā)現(xiàn)具有不同量子點間距的薄膜材料，能夠產(chǎn)生不同類型的壽命分布譜線，體現(xiàn)出不同的激子輸運性質(zhì)，這對我們深入理解CQD材料中的激子弛豫機制具有重要意義。量子點間距離較長的薄膜（非耦合樣品）中，光生激子被限制在本地復(fù)合，而量子點間距離較短的薄膜（耦合樣品）中，光生激子能夠通過最鄰近跳躍(Nearest neighbour hopping, NNH)和福

7、斯特共振能量轉(zhuǎn)移(F?rster resonance energy transfer, FRET)等方式進入鄰近的量子點中，再復(fù)合回到基態(tài)。PCR方法測得的激子壽命精度高于時間分辨PL方法。
　?。?）分析隨溫度變化的激子壽命分布，驗證了速率方程模型的正確性。分析中分別提取出了兩種樣品的輻射復(fù)合壽命τR和非輻射復(fù)合壽命τNR，并且計算得到了 PbS量子點的最低激子能級的分裂能量差。所得結(jié)果進一步驗證了兩種樣品中具有不同的激子弛豫方

8、式，也符合材料制備過程中采取了不同表面修飾方法這一情況。
　?。?）進行了三種PCR輔助實驗研究，實驗結(jié)果與PCR頻率掃描實驗結(jié)果相互補充，具有良好的一致性，進一步證明PCR技術(shù)是研究量子點材料光電特性的有效手段。PCR強度掃描實驗說明本文所用PbS量子點薄膜樣品對入射激光的響應(yīng)是線性的；根據(jù)Arrhenius公式對PCR溫度掃描實驗結(jié)果進行分析，得到了兩種樣品的非輻射復(fù)合中心的激活能；PCR時間掃描實驗結(jié)果證實了兩種樣品中所含缺

9、陷能級的狀態(tài)。
　　第三，首次成功利用 PCR技術(shù)對CQD太陽能電池開展了初步的實驗研究。本工作中測試了PbS CQD點太陽能電池的伏安特性曲線，并對其開展了PCR頻率掃描實驗，重建了太陽能電池的光吸收層中的激子壽命分布譜線。發(fā)現(xiàn)電池中的激子壽命稍長于單純薄膜中的激子壽命。
　　綜上所述，本文利用PCR技術(shù)成功開展了對量子點材料性能的研究。建立了三種適用于量子點材料的PCR頻域信號分析模型，分別重建了兩種樣品的激子壽命分布譜