氢化纳米硅薄膜硅量子点光电流响应调控

论文摘要

作为一种高效、低廉的纳米结构生长技术,自组装半导体纳米晶粒的出现为新一代的光电子器件以及光伏技术的发展开创了一条新的途径。氢化纳米硅薄膜是单晶硅和非晶硅的混相物质,由纳米尺度的单晶硅颗粒镶嵌在氢化非晶硅的网络中构成。先前的研究已经表明,氢化纳米硅的混相体系可以有效降低在非晶硅材料中不可避免出现的光至衰退现象,从而有效地阻止了商用硅基薄膜太阳电池光电转化效率随光照时间加强而降低的难题。同时,氢化纳米硅薄膜中大量存在的单晶硅量子点使得体系拥有明显的量子限制效应,这使得人们可以通过纳米硅薄膜生长结构来调控材料的光学带隙以实现对太阳光谱的响应,从而获得更高的光吸收效率。目前已经发现,由于材料的高光吸收截面以及优良的电导率,纳米硅薄膜具有很好的光吸收系数以及光电流响应。所以许多小组正在积极尝试将纳米硅薄膜应用的单结或多结太阳电池中去以实现高效稳定的新型硅基薄膜电池,并为人类的光伏领域带来一场革命。在本文中,我们从实验和理论两个方面详细研究了氢化纳米硅薄膜光电流响应光谱特性,并讨论了薄膜内单晶硅量子点的粒径分布情况对光谱分布的影响。在先前的研究报道中,人们已经通过拉曼面扫描技术从实验上观察到了氢化纳米硅薄膜内的量子点粒径涨落,并研究了薄膜生长中磷烷组分的浓度改变材料均匀性以及晶粒尺寸的作用同时讨论了材料的生长机制。在这里,我们通过变温电流电压实验观察到并验证了纳米硅薄膜中硅量子点内部因量子限制效应而造成的分裂能级结构。根据这一结果,我们拟合分解了具有不同量子点粒径分布的纳米硅薄膜异质结光电流响应光谱,并通过对分解谱线的峰位、线宽以及强度并结合量子限制效应理论分析研究了薄膜内量子点平均尺寸,粒径涨落对光电流响应谱的影响。我们发现随着量子点粒径分布变广,纳米硅薄膜能通过增加光谱响应范围来提高光吸收能力,然而量子点内光生载流子电隧穿输运能力会减弱,从而使得光电流积分强度呈现的先上升后下降的趋势。鉴于纳米硅薄膜内存在这种由量子限制效应引起的光学带隙调控能力,我们研究了利用量子点粒径分布调控手段来调节纳米硅薄膜对光谱的响应范围,并讨论了将其应用到新型太阳能电池的结构中的设想。虽然在大多数基于量子点材料的光电子器件中,量子点生长时不可避免形成的尺寸涨落会引起辐射跃迁能级的错位从而在光学吸收谱上导致非本征展宽并降低器件的性能。但是在光伏领域,这种光学吸收谱的展宽却提供了一种便捷而有效的增强材料对太阳光吸收的方式被应用到量子点彩虹太阳电池中去,从而突破现有单结太阳电池的光电转化效率极限。虽然由于量子点粒径分布变宽而导致的量子点间能级错位加剧会减弱电子隧穿输运能力,从而对光生载流子收集产生负面影响。正因为量子点粒径分布变宽所导致的光吸收增强与输运减弱同时发生,两者竞争性地增强/减弱光电流。因此,本文工作揭示了通过调节合适的薄膜内量子点粒径分布来优化电池的光电响应效率,从而提供了一种简单低廉适用于大规模工业生产的纳米硅薄膜生长策略来最大化太阳电池的效率。以上的研究得到了国家自然科学基金重点项目(10734020)、国家重大基础研究计划(纳米计划)(2010CB933702)和上海市科学技术委员会优秀学科带头人计划研究项目(08XD14022)的资助。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景与现状
• 1.2 本文的主要工作
• 第二章 氢化纳米硅薄膜基本性质、制备与表征
• 2.1 常见硅基材料的分类
• 2.1.1 单晶硅（c-Si）
• 2.1.2 非晶硅（a-Si）
• 2.1.3 单晶-非晶混相硅基材料
• 2.1.4 氢化纳米硅（nc-Si:H）
• 2.2 纳米硅（nc-Si）薄膜的制备方法
• 2.2.1 物理沉积方法
• 2.2.2 化学沉积方法
• 2.3 氢化纳米硅（nc-Si）薄膜的生长机制
• 2.4 氢化纳米硅（nc-Si）薄膜基本性质表征实验手段
• 2.4.1 透射电镜（TEM）及高分辨透射电镜（HRTEM）
• 2.4.2 X射线衍射谱（XRD）
• 2.4.3 红外（IR）吸收谱和透射谱
• 2.4.4 拉曼散射（Raman）光谱分析
• 2.4.5 光致发光谱（PL）
• 2.4.6 椭圆偏振（SE）
• 2.4.7 电学测试
• 2.5 本章小结
• 参考文献
• 第三章 氢化纳米硅薄膜光电器件及其测试系统
• 3.1 引言
• 3.2 纳米硅光电器件介绍
• 3.2.1 纳米硅发光二极管
• 3.2.2 新型太阳电池
• 3.3 纳米硅薄膜光电器件光电流谱测试系统
• 3.3.1 傅里叶光谱仪
• 3.3.2 HR450 光谱仪光电流测量系统
• 3.3.3 KETHLEY 电学测量系统
• 3.3.4 CTI-Cryogenics 液氦低温循环制冷系统
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 第四章 氢化纳米硅薄膜光电流响应谱研究分析
• 4.1 引言
• 4.2 nc-Si（n）/c-Si（p）样品参数
• 4.2.1 Cp 系列样品生长条件
• 4.2.2 由拉曼光谱获得CP系列样品量子点粒径分布
• 4.3 nc-Si（n）/c-Si（p）异质结的能带图
• 4.4 nc-Si（n）/c-Si（p）光电流响应研究
• 4.4.1 nc-Si（n）/c-Si（p）光电流响应机理
• 4.4.2 纳米硅晶粒尺寸分布及其对光电流响应的调控
• 4.4.3 量子点光吸收模型
• 4.4.4 量子点内载流子输运模型
• 4.4.5 nc-Si（n）/c-Si（p）异质结光电流实验结果分析讨论
• 4.5 本章小结
• 参考文献
• 第五章 氢化纳米硅薄膜内多重激子效应
• 5.1 引言
• 5.2 多重极子效应在太阳电池中的应用
• 5.2.1 单节晶体硅电池的效率瓶颈
• 5.2.2 纳米材料中的多重激子效应对光电转化效率的提
• 5.3 光电流响应谱研究纳米硅薄膜中多重极子效应
• 5.4 本章小结
• 参考文献
• 第六章 结论
• 6.1 本文的主要结论和创新点
• 6.2 下一步工作及展望
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文和荣誉