AgBiS2胶体量子点光伏材料合成及器件研究

来源 :景德镇陶瓷大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:liuyansua
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三元硫族化合物AgBiS2CQDs(Colloidal quantum dots,简称CQDs)半导体材料具备吸光系数高、宽光谱响应范围、带隙可调等性能优势,成为传统铅、镉基量子点吸收层材料的有力竞争者。AgBiS2胶体量子点合成工艺多使用传统热注法,该工艺步骤繁琐、所涉硫源较为昂贵且环境不友好,因此探索低成本便捷的合成工艺仍具有挑战性。本文探究了室温环境气氛下合成的器件级AgBiS2CQDs的合成工艺以及将其作为吸收层材料对应的薄膜光伏器件的光电性能,论文主要内容以AgBiS2CQDs薄膜太阳能电池结构设计为主线安排如下两节内容:(1)正置n-i-p结构:AgBiS2作为典型三元化合物,在合成过程中容易分相或组分不均匀。本部分工作在Ro HS(Restriction of Hazardous Substances)框架下,首先选定“绿色”化学试剂,在室温开放环境下通过改变合成工艺参数Ag/Bi投料比合成系列AgBiS2CQDs,实现尺寸大小分布及其组分控制,进而达到吸收性质调控的目的。研究结果表明投料比中Ag的过量容易导致亚稳定态的立方相与六方相AgBiS2比例增大,削弱了AgBiS2CQDs半导体特性,不利于其作为薄膜太阳能电池的吸收层材料使用;与之相反,投料比中Bi的过量容易提升混相中六方相含量或形成更加接近于六方相的过渡态,能够提升AgBiS2CQDs半导体特性。合成后期,通过向反应原液中引入双官能团小分子钝化剂巯基丙酸,实现了纯化后AgBiS2CQDs在极性溶剂中的再次分散。然后以离心浇铸为成膜工艺,通过研究反溶剂丙酮加入量在指定基片上沉积了形貌及膜厚可控的AgBiS2CQDs薄膜。该类薄膜可作为正置n-i-p结构的光伏器件的吸收i层材料使用,良好的表面钝化特性及薄膜微观结构致密性有利于抑制载流子复合中心数量和改善载流子的输运特性,进而提升所对应太阳能电池光电转化效率。(2)倒置p-i-n结构:无机纳米Ni Ox及Mg doping-Zn O(简称:MZO)薄膜由于成本、稳定性突出及优良的光电特性,如良好的透光性、高载流子迁移率而常作为薄膜太阳能电池的空穴功能层(Hole transporting layer,简称HTL)和电子传输层(Electron transporting layer,简称ETL)在p-i-n结构太阳能电池中应用。在上节AgBiS2CQDs合成及成膜工艺基础上,本节工作首先集中于HTL材料水溶性胶体Ni Ox纳米颗粒的合成工艺,通过Ni Ox纳米颗粒热处理工艺,阐述了其在极性溶剂水中的分散机制,并最终确定了最佳热处理温度,保证了Ni Ox纳米颗粒的后期均匀成膜;然后,在溶胶-凝胶工艺路线基础上,通过改变Mg的掺杂量在室温条件制备了系列稳定的MZO胶体纳米颗粒分散液,构建器件的ETL。研究表明,适量Mg掺杂能够提升Zn O中氧空位含量,并能够调整其能带;这优化了器件的能级匹配,能够帮助ETL提升电荷抽取,进而增强对应器件的输出性能。
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