硫化铟铜量子点的合成、性能及太阳能电池应用

【摘要】：胶体半导体量子点,又称为半导体纳米晶体,是一种尺寸和性质介于分子材料和体材料之间的纳米尺度粒子,主要由II-VI族元素、III-V族元素、IV-VI族元素或者I-III-VI族元素组成。因拥有量子限域效应和量子尺寸效应,具有独特的光学、力学和电学性质,在生物荧光标记、生物传感器、太阳能电池、LED照明和显示等方面具有潜在的广泛应用,因此,制备出高质量的、形状和尺寸可控的半导体纳米晶体具有重要的现实意义。目前量子点的合成方法根据反应溶剂的不同,主要有水相和油相两种。水相合成法原料廉价、低毒环保并可直接应用于生物体系,但是合成的量子点尺寸不均匀、形貌不可控、容易发生团聚、荧光量子产率低。相反,有机相合成法制备的量子点具有分散性好、结晶度高、量子产率高等优势,是量子点合成的主要方法。空气中的氧气对量子点的合成具有很大的负面影响,常规的做法是选择氮气或氩气保护整个反应过程,这提高了反应的复杂程度,同时对设备的要求更高,不利于合成工艺的推广和批量生产。当前针对含Cd的量子点已有广泛报道,但是其重金属固有的毒性严重限制了其应用。综上考虑,本论文选择了绿色、环境友好型的由Ⅰ-III-VI族元素组成的CuInS2量子点作为研究对象,采用有机相合成法,改进合成工艺,利用常规空气气氛代替无氧环境,通过改变各种影响量子点发光性能的因素,使用微波辅助法和溶剂热法制备出了高质量的CuInS2、 CuInS2/ZnS量子点,并对其发光性能进行了详细的研究和探讨,获得了实验室合成和工业化生产的最优条件。最后,将合成的高性能CuInS2/ZnS量子点作为光转换层成功应用于硅基太阳能电池,为其未来在太阳能电池领域的潜在应用奠定基础。主要研究内容包括：(1)采用合成时间短、绿色环保的微波辅助法,在ODE和DDT混合溶剂中,不需要任何保护气氛的环境下合成了不同粒径大小的CuInS2量子点。研究了影响量子点发光性能的因素：合成温度、反应时间、前驱体Cu与In的比例、前驱体S粉的用量和DDT的用量等,确定了实验室利用微波工艺高效合成CuInS2量子点的最优条件T=220℃, t=5min,OA:DDT:ODE=0.5:2:3,S:Cu:In=1:12。合成的CIS量子点发光范围在634-712nm,最高量子效率为6.9%。(2)采用工艺更为简单的溶剂热法,参照并优化微波辅助法使用的配料比和合成条件,获得了成熟的大量合成工艺,制备出了性能更好的CuInS2量子点,对影响量子点发光性能的因素进行了探究,获得了实验室高效CuInS2量子点的最优合成条件：T=220℃,t=40min;产业化生产CulnS2量子点的最优合成条件：T:200℃,t=120min,产量可以达到克量级。合成的CIS量子点发光范围在619-769nm,最高量子效率为8.4%。(3)在合成CuInS2量子点的基础上,通过在其表面包覆一层ZnS壳层,使CuInS2/ZnS核/壳量子点的荧光强度大大增加,量子效率从2.2%提高到了72.9%,同时其光稳定性大大提升。最后,将高稳定性和优异光学性能的CuInS2/ZnS量子点均匀分散到PMMA中形成一层透明薄膜,并作为光转换层成功的应用于硅基太阳能电池,使太阳能电池转化效率提高了3.8%。 【关键词】：量子点 硫化铟铜 微波辅助法 溶剂热法 太阳能电池
【学位授予单位】：华东师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB383.1;TM914.4
【目录】：

• 内容摘要6-8
• ABSTRACT8-16
• 第1章 绪论16-30
• 1.1 半导体量子点简介16-18
• 1.2 含重金属量子点的毒性18
• 1.3 半导体CIS量子点的合成18-24
• 1.3.1 控制晶型结构和形貌19-21
• 1.3.2 掺杂和核/壳结构21-23
• 1.3.3 表面配体和功能化23-24
• 1.4 CIS量子点的应用24-28
• 1.4.1 生命医学24-25
• 1.4.2 光催化25-26
• 1.4.3 太阳能电池26-27
• 1.4.4 发光二极管27-28
• 1.5 本课题的研究意义及主要内容28-30
• 第2章 实验30-36
• 2.1 实验试剂和仪器30-31
• 2.2 实验方法31-34
• 2.2.1 CIS量子点的合成31-33
• 2.2.2 CIS/ZnS量子点的合成33-34
• 2.2.3 量子点溶液的离心清洗34
• 2.3 测试表征34-36
• 2.3.1 表征手段34
• 2.3.2 量子效率计算34-35
• 2.3.3 光稳定性测试35
• 2.3.4 太阳能测试35-36
• 第3章 微波辅助法合成CIS量子点的结构及光学性能36-46
• 3.1 引言36-37
• 3.2 结果与讨论37-44
• 3.2.1 典型CIS量子点的荧光光谱37-38
• 3.2.2 合成气氛对CIS量子点性能的影响38-39
• 3.2.3 合成工艺的优化39-44
• 3.3 本章小结44-46
• 第4章 溶剂热法合成CIS量子点的结构及光学性能46-56
• 4.1 引言46-47
• 4.2 结果与讨论47-54
• 4.2.1 反应温度和时间的影响47-51
• 4.2.2 组分和形貌表征51-54
• 4.3 本章小结54-56
• 第5章 CIS/ZnS量子点性能及其太阳能电池应用56-62
• 5.1 引言56-57
• 5.2 结果与讨论57-61
• 5.2.1 组成、形貌和光谱性能57-58
• 5.2.2 光稳定性测试58-59
• 5.2.3 太阳能电池的性能59-61
• 5.3 本章小结61-62
• 第6章 结论62-63
• 参考文献63-70
• 在学期间所取得的科研成果70-71
• 后记71

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