电极修饰对基于PbS纳米晶光电器件性能的影响

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由于胶体量子点其光谱随粒径可调而且可液相合成,近年来被广泛应用于光伏和光探测等光电器件中。半导体光电器件一般选用透明导电玻璃(ITO、FTO)作为衬底电极,但其表面的粗糙度会直接影响活性层与电极表面的有效接触和空穴(或电子)的有效注入或抽取;另外空气中的水分和氧气很容易透过对电极金属侵入到器件内部,损害器件性能,因此电极接触界面是影响光电器件性能的一个重要因素。本论文从改善器件电极接触界面出发,主要开展了基于PbS量子点光-电转换器件的结构设计与性能分析,具体如下:1.通过热注入法合成了PbS量子点,制备了基于ITO/PbS/Al的肖特基结量子点光伏器件,研究了PEDOT:PSS和LiF两种电极界面层对器件整流特性和光伏特性的影响。结果显示,电极界面修饰后器件的理想因子由6.6降低到了3.5,电池效率由10-5%量级提高到了10-3%量级。分析认为PEDOT:PSS降低了ITO表面的粗糙度,减少了阳极界面缺陷;LiF的加入使阴极界面偶极矩发生变化,Al电极功函数降低,增加了空穴的注入势垒,减少了电子在背电极的复合,同时阻止了空气中氧气和水分对器件的破坏,因此使器件的整流特性和光伏特性均得到提高。2.在具有肖特基结构器件的工作基础上,我们开展了基于FTO/TiO2/PbS/Au的异质结量子点光伏器件的研究,探讨了PEDOT:PSS和ZnO纳米晶电极界面层对器件整流特性和光伏特性的影响机制。研究发现,经电极界面修饰后,器件的内阻由4.1×103降低到0.9×103,理想因子由7.54降低到2.56,反向漏电流也有所降低,另外经电极界面修饰后器件的光电转换效率也由0.02%提高到了0.14%。分析认为ZnO纳米晶和PEDOT:PSS层的加入,分别钝化了双电极表面缺陷,同时它们分别作为电子传输层和空穴传输层,使载流子可以被快速有效地收集,降低了载流子的复合几率,减少了内阻,因此器件效率得到提高。3.制备了基于PbS量子点的肖特基结和异质结光伏型光探测器件,结果显示,异质结器件相比于肖特基结器件有更高的光响应电流和更快的响应速度,这可能是由于具有异质结结构的器件具有更好的分离电子-空穴的能力,且接触界面相比于肖特基结缺陷较少,因而性能要优于肖特基结器件;同时对比了ZnO纳米晶和PEDOT:PSS界面层的加入对器件光探测性能的影响,发现经ZnO纳米晶和PEDOT:PSS进行电极界面修饰后,器件的光响应电流由0.28mA提高到0.77mA,响应时间由0.19s降低到0.07s,器件光电流开关比由1500增加到了2500。器件性能的增加可能是由于ZnO纳米晶和PEDOT:PSS降低了界面的缺陷,减少了光生载流子的损失,提高了载流子的输出效率,因而提高了器件的光响应性能。
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