高质量水溶性荧光量子点的合成及在光电转换中的应用

论文摘要

半导体量子点由于具有尺寸调谐特性、用单个波长即可激发不同的量子点发光、量子产率高、稳定性好、具有很好的生物相容性等优点而在生物标识和半导体光电器件方面具有广泛的应用前景。而传统采用的有机金属化学法合成量子点具有反应条件苛刻,合成成本高、毒性大、产物不溶于水等缺点。本论文以巯基化合物为稳定剂,在水溶液中快速合成一系列荧光量子点,合成方法简单,制得的量子点具有良好的光学性能。并将水溶性CdSe量子点应用于太阳能电池领域的制备。本文主要包含以下实验工作：（1）双巯基分子包裹的高稳定水溶性CdTe QDs和生物稳定剂包裹的CdS QDs的合成及稳定性研究选取双巯基分子二氢硫辛酸（DHLA）作为包裹剂通过水热法在高温下直接水相制备了高质量CdTe QDs。考察了pH值、反应温度、反应时间、配体浓度等工艺参数对合成的CdTe QDs的生长速度和荧光性质的影响。并将合成的CdTe QDs与MPA和TGA包裹的CdTe QDs分别进行了稳定性对比实验。得到的CdTe QDs量子产率最高达到40%,FWHM=～50nm。以DHLA包裹的CdTe QDs相对于MPA和TGA包裹的CdTe QDs光稳定性和化学稳定性得到了极大的提高。通过探讨,这是由于DHLA的两个巯基能同时与CdTe纳米颗粒表面结合,从而能更好的保护纳米颗粒,大大提高了稳定性。选择生物分子谷胱甘肽作包裹剂以硫脲与Cd2+合成了水溶性高荧光CdS QDs。通过优化pH值,反应时间,配体浓度等工艺参数来优化CdS QDs的量子产率。结果表明,合成的CdS QDs最高量子产率可达36.5%。实验结果表明体系的pH值和Cd/GSH摩尔配比对CdS QDs的荧光性质起着关键作用。并在此基础上通过光照进行表面修饰使得获得的CdS QDs荧光量子产率进一步提高到48%。通过样品在光照和暗处的稳定性对比探讨CdS QDs的光学稳定机制,分析了不同光照条件下样品的光致氧化以及光诱导表面钝化机理。（2）高质量谷胱甘肽包裹的CdSe/Zn,Cd1-xS核壳结构QDs的水相合成将油相合成的CdSe核QDs通过谷胱甘肽转入水相,并在QDs水溶液中直接加入CdCl2和Zn（OAc）2,以硫脲作为S2-源,通过原位法在90℃一步生成了高荧光效率typeI型CdSe/ZnxCd1-xS核壳结构QDs。通过探讨pH值、反应时间、配体浓度等工艺参数对产品质量进行优化,获得最佳工艺参数。对得到的CdSe/ZnxCd1-xS核壳结构QDs进行了UV-vis、PL、TEM和XRD表征,样品最高量子产率可以达到35%,半峰宽<30 nm,合成的CdSe/ZnxCd1-xS QDs为六方相纤维锌矿结构,且尺寸分布较窄。（3）基于ZnSe QDs的ZnSe/ZnS核壳材料以及过渡金属离子掺杂的ZnSe/ZnS QDs的水相合成将ZnSe QDs核外部外延生长宽能带的ZnS无机材料,得到了高荧光效率的Type I型蓝紫光ZnSe/ZnS QDs。对反应体系的pH值、反应时间、配体浓度等工艺参数进行了考察,并对合成的ZnSe/ZnS量子点的进行了UV-vis、PL、TEM、XRD和EDS的表征,制备的量子点的荧光量子产率最高可达65%,并在此基础上对获得的ZnSe/ZnS QDs与单独的ZnSe QDs进行稳定性对比。实验表明,合成的ZnSe/ZnS QDs在紫外照射下的稳定性和H202氧化下的稳定性相对于ZnSe QDs有了显著的提高。采用MPA作包裹剂,在水相中以过渡金属离子Mn等对毒性较小的ZnSe/ZnS QDs进行了掺杂。对巯基配体种类、掺杂浓度、前躯体摩尔配比以及掺杂温度等系列反应条件进行了优化,并对合成的Mn:ZnSe/ZnS进行了UV-vis, PL, TEM, XRD和ICP表征,得到的Mn:ZnSe/ZnS QDs最高量子产率可达35%,并对掺杂机制及其发光机制进行了探讨。合成的掺杂纳米晶的Mn荧光发射光谱位置在590 nm左右,半峰宽大约为65 nm,而且几乎观察不到ZnSe的本征发射峰。我们还以本实验方法成功合成了Ag和Cu掺杂的ZnSe/ZnS QDs,并对得到的Ag:ZnSe和Cu:ZnSe的荧光性质与Mn:ZnSe进行了对比研究,实现了基于ZnSe QDs的掺杂半导体纳米晶从蓝光到红光范围的发光。（4）巯基分子包裹的水溶性CdSe QDs在太阳能电池中的应用以水溶性的CdSe QDs作为光敏化剂对Ti02多孔膜电极进行吸附,并组装电池测试性能,首次实现了水溶性CdSe QDs在太阳能电池中的应用。并与油溶性CdSe QDs敏化的太阳能电池进行吸附质量和光电性能比较,考察了两种方法吸附时间和吸附量对光电转换效率的影响。通过与传统油溶性CdSe QDs的吸附进行对比结果表明,水溶性QDs在Ti02上的吸附速度和吸附量大大提高,光电流和光电转换效率也从6.27 mA/cm2、0.85%提高到11.21 mA/cm2、1.75%。通过用Cu2S作背电极代替Pt制备太阳能电池,得到的光电转换效率达到了2.58%。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 前言
• 1.1 纳米材料概述
• 1.2 半导体量子点概述
• 1.2.1 量子限域效应
• 1.2.2 量子点的发光机理
• 1.3 各种新型量子点简述
• 1.3.1 核/壳结构量子点
• 1.3.2 合金量子点
• 1.3.3 掺杂量子点
• 1.4 水溶性Ⅱ-Ⅵ半导体量子点的合成
• 1.4.1 通过油溶性量子点相转换制备
• 1.4.2 直接在水相中合成水溶性量子点
• 1.4.3 水溶性量子点的稳定性及荧光性能的改善
• 1.5 QDs在太阳能电池中的应用
• 1.5.1 量子点敏化太阳能电池
• 1.5.2 量子点敏化太阳能电池的工作原理
• 1.5.3 I-V曲线
• 1.5.4 QDSSCs发展现状
• 1.6 本论文的研究意义
• 1.7 研究目标、内容、拟解决的关键问题
• 1.7.1 研究目标
• 1.7.2 主要研究内容
• 1.8 论文的逻辑结构
• 第2章 水热合成双巯基包覆的高稳定性CdTe QDs
• 2.1 前言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 试验药品
• 2.2.2 合成过程示意图
• 2.2.3 荧光量子产率的测定
• 2.2.4 对DHLA、TGA和MPA包裹的CdTe QDs进行稳定性对比
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 合成的DHLA-CdTe QDs的光学性质和结构表征
• 2.3.2 试验参数对CdTe QDs荧光性能的影响
• 2.3.3 稳定性试验
• 2.4 本章小结
• 第3章 生物分子修饰的高质量CdS QDs的水相合成
• 3.1 前言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 实验药品
• 3.2.2 CdS QDs的合成
• 3.2.3 仪器及表征
• 3.2.4 光稳定性试验
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 光学性质和结构表征
• 3.3.2 各种实验条件对CdS QDs荧光性能的影响
• 3.3.3 CdS QDs的光学稳定性研究
• 3.4 本章小结
• xCd_1-xS核/壳量子点'>第4章 单锅非注射法水相中合成CdSe/Zn_xCd_1-xS核/壳量子点
• 4.1 前言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 实验药品
• 4.2.2 试验过程示意图
• 4.2.3 水溶性CdSe QDs核材料的制备
• 1_xS核壳结构QDs'>4.2.4 在水相中以GSH为包裹剂合成CdSe/ZnxCd_1xS核壳结构QDs
• 4.2.5 光照试验
• 4.2.6 仪器及表征
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 光学性质和结构表征
• 4.3.2 各种实验条件对体系荧光性质的影响
• 4.4 本章小结
• 第5章 蓝-紫光ZnSe/ZnS高质量荧光量子点的水相合成
• 5.1 前言
• 5.2 试验部分
• 5.2.1 实验药品
• 5.2.2 GSH包裹的ZnSe QDs的水相合成
• 5.2.3 ZnS壳层材料的生长
• 5.2.4 仪器及表征
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 光学性质和结构表征
• 5.3.2 实验参数的影响
• 5.3.3 ZnSe/ZnS QDs稳定性测试
• 5.4 本章小结
• 第6章 过渡金属掺杂的高质量ZnSe/ZnS荧光量子点的水相合成
• 6.1 实验目的和合成思路
• 6.2 实验部分
• 6.2.1 主要实验药品
• 6.2.2 实验路线与方法
• 6.2.3 仪器及表征
• 6.3 实验结果与讨论
• 6.3.1 Mn:ZnSe和Mn:ZnSe/ZnS光学性质研究和结构表征
• 6.3.2 实验条件对Mn:ZnSe/ZnS NCs荧光性能的影响
• 6.3.3 MPA包裹的Cu、Ag、Mn掺杂的ZnSe/ZnS纳米晶的荧光性质对比
• 6.4 本章实验总结
• 第7章 水溶性CdSe QDs在量子点敏化太阳能电池中的应用
• 7.1 前言
• 7.2 实验部分
• 7.2.1 实验药品
• 7.2.2 巯基包裹的水溶性CdSe QDs的制备
• 2电极的制备'>7.2.3 CdSe QDs敏化TiO₂电极的制备
• 7.2.4 背电极的制备和电解质溶液的配制
• 7.2.5 CdSe QDs敏化的太阳能电池的组装
• 7.2.6 仪器及表征
• 7.3 结果与表征
• 2膜形貌表征'>7.3.1 CdSe QDs的光学性能和TiO₂膜形貌表征
• 7.3.2 电学性能测试及分析
• 7.4 本章小结
• 第8章 总结与展望
• 8.1 全文总结
• 8.1.1 论文的主要工作
• 8.1.2 本文的主要特色及创新
• 8.2 建议及展望
• 8.2.1 高稳定性及高荧光量子产率QDs的水相合成
• 8.2.2 宽范围发光QDs的水相合成
• 8.2.3 环境友好纳米晶的合成
• 8.2.4 半导体纳米晶的应用研究
• 参考文献
• 致谢
• 博士学位期间获得的成果