膠質(zhì)量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池的光載流子輻射檢測(cè)研究

【摘要】：納米膠質(zhì)量子點(diǎn)(Colloidal quantum dot,CQD)材料是目前國(guó)際研究的焦點(diǎn),可用于各種光電器件中,如光電探測(cè)器、光電二極管、太陽(yáng)能電池等。其中利用這種材料制成的第三代太陽(yáng)能電池,具有成本低、可實(shí)現(xiàn)大面積生產(chǎn)、寬太陽(yáng)能光譜吸收等優(yōu)點(diǎn),為太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)帶來(lái)了新希望。然而,相比于塊體半導(dǎo)體,量子點(diǎn)材料的光電特性及很多實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象尚未被深入理解,這制約著其推廣應(yīng)用以及對(duì)器件性能的提升。精確的激子壽命測(cè)量是解釋材料光電實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的第一步。雖然光致發(fā)光(Photoluminescence,PL)技術(shù)是測(cè)量激子壽命的主要手段,但其較低的測(cè)量精度,使得研究人員們還無(wú)法建立關(guān)于量子點(diǎn)中激子輸運(yùn)等動(dòng)態(tài)機(jī)制的精確物理模型。光載流子輻射測(cè)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(wú)損、非接觸、快速等優(yōu)點(diǎn),非常適用于檢測(cè)柔軟的易受損的CQD材料。PCR的頻率調(diào)制特性使其對(duì)CQD中激子的動(dòng)態(tài)弛豫過(guò)程進(jìn)行研究時(shí)顯示出高的信噪比和精度,尤其是PCR信號(hào)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(yùn)性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)研究和理論分析。第一,發(fā)展了適用于量子點(diǎn)材料的CQD-PCR理論模型,使得PCR技術(shù)對(duì)半導(dǎo)體材料電參數(shù)的測(cè)量應(yīng)用領(lǐng)域從三維塊體材料擴(kuò)展到了零維量子點(diǎn)材料。(1)建立了三種PCR頻域信號(hào)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(diǎn)尺寸分布建立的連續(xù)單獨(dú)Voigt型高斯分布模型、簡(jiǎn)化的多重弛豫方式疊加的離散ad hoc模型和經(jīng)過(guò)嚴(yán)格數(shù)學(xué)推導(dǎo)得出的變分反演模型。(2)發(fā)展了激子弛豫速率方程模型。該模型同時(shí)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(diǎn)材料的最低激子能級(jí)分裂以及最低激子能級(jí)與缺陷能級(jí)進(jìn)行能量交換時(shí)會(huì)有多個(gè)聲子參與的情況。第二,搭建了PCR實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),通過(guò)對(duì)兩種經(jīng)過(guò)不同表面修飾法得到的PbS CQD薄膜(非耦合樣品和耦合樣品)的PCR實(shí)驗(yàn)研究,驗(yàn)證了量子點(diǎn)材料的CQD-PCR理論模型,為CQD材料中激子輸運(yùn)等動(dòng)態(tài)特性的研究開(kāi)辟了一條新的途徑。(1)通過(guò)CQD-PCR頻率掃描實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了三種PCR頻域信號(hào)分析模型的正確性,反演重建得到了PbS量子點(diǎn)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(guò)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(duì)兩種樣品都適用,但通過(guò)對(duì)比,變分反演法計(jì)算得到的激子壽命譜線可靠性最高,并且能夠分辨出同時(shí)發(fā)生的不同激子弛豫機(jī)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(diǎn)間距的薄膜材料,能夠產(chǎn)生不同類(lèi)型的壽命分布譜線,體現(xiàn)出不同的激子輸運(yùn)性質(zhì),這對(duì)我們深入理解CQD材料中的激子弛豫機(jī)制具有重要意義。量子點(diǎn)間距離較長(zhǎng)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(diǎn)間距離較短的薄膜(耦合樣品)中,光生激子能夠通過(guò)最鄰近跳躍(Nearest neighbour hopping,NNH)和福斯特共振能量轉(zhuǎn)移(F?rster resonance energy transfer,FRET)等方式進(jìn)入鄰近的量子點(diǎn)中,再?gòu)?fù)合回到基態(tài)。PCR方法測(cè)得的激子壽命精度高于時(shí)間分辨PL方法。(2)分析隨溫度變化的激子壽命分布,驗(yàn)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(jì)算得到了PbS量子點(diǎn)的最低激子能級(jí)的分裂能量差。所得結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了兩種樣品中具有不同的激子弛豫方式,也符合材料制備過(guò)程中采取了不同表面修飾方法這一情況。(3)進(jìn)行了三種PCR輔助實(shí)驗(yàn)研究,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與PCR頻率掃描實(shí)驗(yàn)結(jié)果相互補(bǔ)充,具有良好的一致性,進(jìn)一步證明PCR技術(shù)是研究量子點(diǎn)材料光電特性的有效手段。PCR強(qiáng)度掃描實(shí)驗(yàn)說(shuō)明本文所用PbS量子點(diǎn)薄膜樣品對(duì)入射激光的響應(yīng)是線性的;根據(jù)Arrhenius公式對(duì)PCR溫度掃描實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)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(shí)間掃描實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了兩種樣品中所含缺陷能級(jí)的狀態(tài)。第三,首次成功利用PCR技術(shù)對(duì)CQD太陽(yáng)能電池開(kāi)展了初步的實(shí)驗(yàn)研究。本工作中測(cè)試了PbS CQD點(diǎn)太陽(yáng)能電池的伏安特性曲線,并對(duì)其開(kāi)展了PCR頻率掃描實(shí)驗(yàn),重建了太陽(yáng)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(zhǎng)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(kāi)展了對(duì)量子點(diǎn)材料性能的研究。建立了三種適用于量子點(diǎn)材料的PCR頻域信號(hào)分析模型,分別重建了兩種樣品的激子壽命分布譜線,反演計(jì)算得到了激子有效壽命,提高了量子點(diǎn)激子壽命測(cè)量的精度,深入理解了量子點(diǎn)中的激子弛豫途徑,發(fā)展了量子點(diǎn)中的PCR方法。在納米材料和器件席卷光電子、微電子、材料科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的趨勢(shì)下,CQD-PCR方法必將發(fā)展成為一種理論更完備,測(cè)量更精確的技術(shù)。 【關(guān)鍵詞】：PbS膠質(zhì)量子點(diǎn) 膠質(zhì)量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池 光載流子輻射測(cè)量方法 激子輸運(yùn)機(jī)制 激子壽命
【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：TM914.4
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第一章 緒論12-41
• 1.1 引言12-13
• 1.2 太陽(yáng)能電池發(fā)展現(xiàn)狀13-14
• 1.3 量子點(diǎn)材料及量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池14-24
• 1.3.1 量子點(diǎn)材料及其性質(zhì)14-17
• 1.3.2 膠質(zhì)量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池的參數(shù)17-18
• 1.3.3 膠質(zhì)量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池的發(fā)展現(xiàn)狀18-24
• 1.4 膠質(zhì)量子點(diǎn)材料的電子輸運(yùn)特性及表征方式24-36
• 1.4.1 CQD中的載流子輸運(yùn)機(jī)制26-33
• 1.4.1.1 激子弛豫方式26-27
• 1.4.1.2 激子能級(jí)結(jié)構(gòu)27-29
• 1.4.1.3 電子輸運(yùn)機(jī)制29-33
• 1.4.2 膠質(zhì)量子點(diǎn)材料的表征方法33-36
• 1.4.2.1 透射電子顯微鏡33
• 1.4.2.2 X射線衍射33-34
• 1.4.2.3 紫外-可見(jiàn)吸收光譜34-35
• 1.4.2.4 光致發(fā)光技術(shù)35-36
• 1.5 光載流子輻射測(cè)量技術(shù)36-38
• 1.5.1 PCR技術(shù)的基本原理36-37
• 1.5.2 PCR技術(shù)對(duì)量子點(diǎn)材料檢測(cè)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)37-38
• 1.6 本文的主要貢獻(xiàn)與創(chuàng)新38-39
• 1.7 本論文的結(jié)構(gòu)安排39-41
• 第二章 膠質(zhì)量子點(diǎn)激子壽命分布理論模型41-54
• 2.1 連續(xù)高斯壽命分布——Voigt型41-44
• 2.2 簡(jiǎn)化離散壽命分布——ad hoc型44
• 2.3 積分方程反演激子弛豫壽命分布——變分方法44-50
• 2.4 PbS膠質(zhì)量子點(diǎn)激子弛豫動(dòng)態(tài)學(xué)的頻域方法50-53
• 2.5 本章小結(jié)53-54
• 第三章 PbS量子點(diǎn)薄膜的PCR實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)54-62
• 3.1 量子點(diǎn)薄膜材料54-56
• 3.2 PCR實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與方法56-61
• 3.2.1 PCR實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)56-58
• 3.2.2 PCR實(shí)驗(yàn)方法58-61
• 3.2.2.1 PCR頻率掃描實(shí)驗(yàn)58-59
• 3.2.2.2 PCR溫度掃描59-60
• 3.2.2.3 PCR光強(qiáng)度掃描60
• 3.2.2.4 PCR時(shí)間掃描60-61
• 3.3 本章小結(jié)61-62
• 第四章 PbS膠質(zhì)量子點(diǎn)薄膜的PCR頻率掃描實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析62-89
• 4.1 PCR頻率掃描曲線62-63
• 4.2 Voigt型單一連續(xù)壽命分布63-67
• 4.3 Ad hoc離散壽命分布67-69
• 4.4 變分法離散壽命分布譜線69-73
• 4.5 離散壽命與溫度的關(guān)系73-77
• 4.6 變分法連續(xù)壽命展寬譜線77-84
• 4.7 直流背景光對(duì)頻率響應(yīng)的影響84-87
• 4.8 本章小結(jié)87-89
• 第五章 PbS量子點(diǎn)薄膜的其他PCR實(shí)驗(yàn)研究89-98
• 5.1 PCR激光強(qiáng)度掃描結(jié)果89-90
• 5.2 PCR溫度掃描90-94
• 5.3 PCR時(shí)間掃描94-97
• 5.4 本章小結(jié)97-98
• 第六章 PbS CQD太陽(yáng)能電池的PCR實(shí)驗(yàn)研究98-104
• 6.1 伏安特性曲線98-101
• 6.2 太陽(yáng)能電池的PCR頻率掃描101-102
• 6.3 本章小結(jié)102-104
• 第七章 全文總結(jié)與展望104-107
• 7.1 全文總結(jié)104-105
• 7.2 未來(lái)工作展望105-107
• 致謝107-108
• 參考文獻(xiàn)108-122
• 攻讀博士學(xué)位期間取得的成果122-123

您可以在本站搜索以下學(xué)術(shù)論文文獻(xiàn)來(lái)了解更多相關(guān)內(nèi)容

量子點(diǎn)的制備及應(yīng)用進(jìn)展    于瀟;張雪萍;王才富;倪柳松;何磊;張晨;孫孟娜;許世超;魏俊富;王兵;張紀(jì)梅;王海濤;

球型量子點(diǎn)電子填充性質(zhì)的研究    隋鵬飛,楊其艷,戴振宏,黃士勇

單量子點(diǎn)體系極化電子的輸運(yùn)    李朝霞,李作宏

四端耦合量子點(diǎn)橋的電輸運(yùn)    賀澤龍;韓晶;李華;

鍺/硅量子點(diǎn)形貌隨退火溫度的變化與電學(xué)特性研究    樓曹鑫;丁瀾;馬錫英;黃仕華;

多層單電子量子點(diǎn)的低激發(fā)態(tài)能譜研究    王安梅;

量子點(diǎn)層厚度對(duì)量子點(diǎn)發(fā)光二極管發(fā)光特性的影響    李芝;陳靜;雷威;

正常金屬-量子點(diǎn)-超導(dǎo)系統(tǒng)的共振隧穿    馮金福

量子點(diǎn)發(fā)光材料在多色照明上的應(yīng)用    喬毅;馮雪元;張家雨;崔一平;

振蕩磁場(chǎng)量子點(diǎn)中自旋流的交流響應(yīng)(英文)    宋紅巖;宋小龍;張愛(ài)芳;吳留坡;施耀銘;

量子點(diǎn)與蛋白質(zhì)相互作用研究    胡德紅;武紅敏;梁建功;韓鶴友;

量子點(diǎn)熒光編碼微球的制備    宋濤;逯超亮;宮曉群;楊秋花;李云紅;常津;

小波變換在量子點(diǎn)編碼識(shí)別中的應(yīng)用    楊久敏;宮曉群;張琦;宋濤;劉鐵根;李迎新;常津;

微量熱研究量子點(diǎn)對(duì)線粒體代謝的影響    李佳涵;葛玉舒;田方方;樊婷;袁蓮;劉義;

小粒經(jīng)近紅外低毒水溶性量子點(diǎn)的合成及應(yīng)用研究    何治柯;

全同金屬量子點(diǎn)的生長(zhǎng)與研究    賈金鋒;

用于在體高靈敏檢測(cè)的量子點(diǎn)發(fā)光光纖生物傳感器    張友林;曾慶輝;孔祥貴;

量子點(diǎn)的三維取向探測(cè)    王金嬡;王琛;付國(guó);劉力;王桂英;

膠體量子點(diǎn)的電致發(fā)光研究    張家雨;崔一平;王志兵;

鍺硅雙層量子點(diǎn)耦合效應(yīng)的研究    原鳳英;蔣最敏;陸昉;

美研究可高效阻斷蛋白生成的量子點(diǎn)技術(shù)    馮衛(wèi)東

韓國(guó)造出全彩色量子點(diǎn)顯示屏    記者 常麗君

天大首創(chuàng)零污染量子點(diǎn)合成工藝    記者 曲照貴

我國(guó)量子點(diǎn)研究獲新突破    劉牧洋

“量子點(diǎn)”熒光標(biāo)記初露端倪    王全楚

科學(xué)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：量子點(diǎn)不是點(diǎn)    劉霞

量子點(diǎn)顯示屏或?qū)⒊芍髁?nbsp;   記者 劉霞

膠體量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)化效率創(chuàng)紀(jì)錄    劉霞

納米技術(shù)全面升級(jí)LED    本報(bào)記者 于歡

中科院化學(xué)所成功制備量子點(diǎn)熒光微球    記者馬艷紅

量子點(diǎn)分子及量子點(diǎn)團(tuán)簇的電子結(jié)構(gòu)    王立民

單個(gè)量子點(diǎn)的光學(xué)性質(zhì)研究及其在超高分辨率定位上的應(yīng)用    石星波

Ⅱ-Ⅵ族油溶性量子點(diǎn)的制備、修飾及應(yīng)用研究    王解兵

高熒光碳量子點(diǎn)的制備及其應(yīng)用研究    李釩

核殼型量子點(diǎn)的能帶結(jié)構(gòu)及其光學(xué)非線性    周宏明

基于量子點(diǎn)標(biāo)記的生物探針構(gòu)建    黃碧海

半導(dǎo)體ZnSe量子點(diǎn)和碳量子點(diǎn)的制備及其應(yīng)用    潘佳奇

錳摻雜硫化鋅量子點(diǎn)磷光探針研究及分析應(yīng)用    卞偉

基于微流控技術(shù)的功能型量子點(diǎn)的合成及應(yīng)用    胡思怡

光功能客體/LDHs插層復(fù)合材料的構(gòu)筑及其性能研究    梁瑞政

納米顆?！孔狱c(diǎn)經(jīng)嗅覺(jué)通路進(jìn)入中樞神經(jīng)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究    尹芳蕊

熒光量子點(diǎn)的制備及應(yīng)用研究    許智祥

量子點(diǎn)的不同修飾方法對(duì)其與牛血清白蛋白的作用的影響    李秀清

量子點(diǎn)與生物分子的偶聯(lián)及其應(yīng)用    華曉鋒

單電子隧穿耦合量子點(diǎn)的輸運(yùn)和光學(xué)性質(zhì)    李玉丹

水溶性量子點(diǎn)的制備與性能研究    何至青

基于量子點(diǎn)的金屬離子檢測(cè)和碳點(diǎn)的制備及其發(fā)光研究    陳清愛(ài)

核分析技術(shù)在水溶性氧化鋅量子點(diǎn)吸收中的應(yīng)用    盧鵬

鍺硅單量子點(diǎn)的耦合和瞬態(tài)電學(xué)性質(zhì)研究    張翼飛

一種納米級(jí)碳量子點(diǎn)的合成、修飾、表征及生物學(xué)評(píng)價(jià)    趙瀟