新型有机/无机杂化半导体薄膜的光伏性能研究

开发高性能半导体太阳材料来构筑新型太阳电池是太阳电池研究中的重要课题。有机/无机杂化半导体除了将有机物良好的加工能力、结构多变性和无机半导体优异的光、电特性、高载流子迁移率及稳定性的优点相结合外，还因结构本身所产生的强量子限域效应出现了无机母体所没有的现象和功能，形成一类新的"塑性"半导体。本申请项目拟率先进行有机/无机杂化半导体薄膜的光电特性及其光伏行为研究。根据已探明的杂化半导体组成、结构与性能之间的关系，设计并合成出适宜于光伏应用的杂化半导体材料；探索在不同基底上制备有机/无机杂化半导体薄膜的方法和具体工艺条件；研究有机/无机杂化半导体薄膜组成、微观结构与其光电特性之间的关系，以及杂化半导体薄膜的光伏行为，为设计新型的太阳电池构造提供依据。研究成果不仅有利于推动新型有机/无机杂化半导体太阳电池材料的开发，而且还有助于促进杂化半导体在其它光学、电子以及光电子器件等领域的应用。

无机/有机杂化半导体材料是无机化合物被分裂成片层（纳米尺度）且有机胺分子以配体的形式分隔在无机物片层之间所形成的一类具有独特纳米结构的杂化半导体材料。自从2008年Cd2S2(L)杂化半导体的直接发白光特性发表在JACS上以来，II-VI无机/有机杂化半导体就以一种单基质的白光材料而在白光LED中具有潜在应用前景。在此工作的基础上，本项目系统地研究了Zn2S2(L)基杂化半导体材料的光电特性。通过在Zn2S2(L)（L为正己胺，ha）中进行Cd掺杂以及Cd和Se共掺杂，实现了对Zn2S2(ha)的禁带宽度和发光特性的调控。Cd掺杂的Zn2-2xCd2xS2(ha)杂化半导体具有两个荧光发射峰，其中一个峰属于带边发射，另一个峰则与掺杂的Cd以及杂化半导体的独特结构中所具有的表面态有关；通过改变Cd的掺杂量，实现了对两个发射峰的位置和相对强度的调制；在合适的Cd掺杂量下，获得了直接发白光的半导体材料，且其发光量子产率高于Cd2S2(ha)。在Cd和Se共掺杂的Zn2-2xCd2xS2-2ySe2y(ha)中，固定Cd的掺杂量，改变Se的掺杂量，还实现了对杂化半导体禁带宽度和发光特性的进一步调控，也获得了量子产率高于Cd2S2(ha)的直接发白光的四元杂化半导体材料。我们发现，无机/有机杂化半导体的发光特性与其独特的纳米结构有关，这种纳米结构能使无机/有机杂化半导体将强量子限域效应和大量的表面态集于一身。与常用的通过红绿蓝三色荧光粉混合而成的白光荧光粉相比，我们合成出的掺杂型杂化半导体为单基质的直接发白光材料，避免了荧光粉的复杂混合工序以及由此引起的自吸收导致器件效率的下降；与量子点等其他发白光的半导体材料相比，Ⅱ-Ⅵ有机/无机杂化半导体既像量子点那样具有强量子限制效应，又不像量子点那样因其发光性能受粒径的影响而难以控制，更具有体相材料的高载流子迁移率特性；与已报导的发白光Cd2S2(ba)系杂化半导体相比，掺杂型Zn2S2(ha)基杂化半导体以Zn为主，减少了有毒Cd的含量，并且具有更高的发光量子产率。