窄尺寸分布的CdSe纳米晶碗状超结构及其光伏性能的研究

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作为一种为人所熟知的II-VI族半导体纳米晶,硒化镉(CdSe)已经成为纳米材料电子和光学性能研究领域中的经典研究对象,这主要归功于通过较简便的方法就能得到高质量CdSe纳米晶。CdSe纳米晶主要有纤锌矿晶体相和闪锌矿晶体相两种晶型结构。它在纤锌矿晶体相的禁带宽度为1.797 eV,在闪锌矿晶体相的禁带宽度为1.712 eV。大多数基于纳米晶制备的器件都需要控制纳米晶的尺寸和尺寸分布。窄尺寸分布的纳米晶的紫外吸收峰和荧光发射峰窄而尖锐,这种纳米晶对于器件性能的稳定和提高有着重要的意义。但是由于纳米晶尺寸的限制,彻底实现商业化应用几乎是不可能的。为了克服这一缺点,实现纳米材料的大规模应用,使纳米晶自组装成大的有序超结构,并且应用现代制造技术将超结构集成为功能化的器件,被认为是由微观材料向介观甚至宏观器件迈进的一条可能途径。本论文以硬脂酸镉(Cd(SA)2)为镉源化合物和表面稳定剂,硒粉为硒源化合物,十八烯(1-ODE)为反应介质,合成出了具有窄尺寸分布的CdSe纳米晶。在此基础上,通过温度的急剧降低,我们得到了一种碗状CdSe超结构。为了研究碗状超结构的形成机理,我们改变了溶液的冷却速率并对产物进行研究。研究表明:碗状超结构的形成主要归因于高的冷却速率及由此带来的溶解度的快速降低。即随着溶液温度的快速降低,窄尺寸分布的CdSe纳米晶的溶解度也随之降低,导致CdSe纳米晶迅速析出并组装在一起形成超结构。纳米晶的快速聚集会将部分物质包含在超结构的内部,经过产物的后处理如离心、干燥后,这些内部物质析出,最终形成碗状超结构。此外,我们基于碗状CdSe超结构和聚3-己基噻吩(P3HT)共混物制备了光开关。测试表明,有机相制备的CdSe超结构与P3HT充分混合,这将有利于激子的高效分离和载流子的快速迁移。器件展示出大约为100的开关比和优异的稳定性。特别地,光开关的循环没有明显的衰减。优异的光响应性能说明这种超结构在光伏器件领域有广阔的应用前景。
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