PbxMe1-xS量子点的设计、合成与能带调制

The PbS quantum-dots (QDs) have been considered as one kind of promising solar cell materials. We first intend to use the method of molecular design to design PbxMe1-xS QDs with different doping characteristics and geometric features, and calculate the lattice constants, band structures, optical properties, the thermal conductivity properties and elastic properties of PbxMe1-xS QDs. These calculations can bring us a more systematic understanding of the electronic structures and physical properties, and provide a useful explanation and prediction to related experiments. Then, we intend to conduct a series of experimental studies, including liquid phase synthesis and related measurements of PbxMe1-xS QDs similar with the simulation results, to explore the experimental rules and understand the mechanism of the synthesis of the reaction. Then, we combine theoretical and experimental results to explore the modulation law of the PbxMe1-xS QDs band structures, and apply this QDs material into the solar cell devices in order to improve the absorption band width of PbS based QDs solar cells. Our projects will be usful to theoretical design, synthetic and physical properties of doped PbS QDs, and promote the practical application of the PbS-based materials in the solar energy field.

硫化铅（PbS）量子点被认为是一种很有希望的太阳能电池材料。本项目拟首先采用分子设计的方法，设计具有不同掺杂特征和几何特征的PbxMe1-xS量子点，并对其晶格常数、能带结构、光学性质、热导性质等方面进行模拟计算，使我们更系统地了解该体系的电子结构及其相关物理性质，为相关的实验提供有益的解释和预测。之后，我们拟进行一系列的实验研究工作，包括与模拟结果成分一致的PbxMe1-xS量子点的可控液相合成，PbxMe1-xS量子点相关光学和热导性质的实验测量，探索实验规律，理解合成机理。然后结合理论和实验研究来探索掺杂PbS量子点的能带调制规律，拓宽其带隙变化范围，将合成的PbxMe1-xS量子点材料应用于太阳能电池器件当中，提高PbS基量子点太阳能电池的光谱吸收波段宽度。本项目对于掺杂PbS量子点的理论设计、人工合成与物性研究有重要的帮助，能够更好地推动PbS基材料在太阳能电池领域的实际应用。

本项目研究和探索了PbxMe1-xS量子点体系的设计、合成以及能带调制规律。我们设计构建PbS基体系的相关模型，并基于密度泛函理论进行电子结构、热导和光学等性质的模拟计算。通过选用不同的溶剂种类和配比，调控反应参数，添加不同的外来配体和结构导向剂等手段，用液相反应可控制备不同掺杂元素和掺杂浓度的PbS基量子点体系。采用各种实验仪器测量分析不同掺杂特征和几何特征的条件下PbxMe1-xS量子点以及PbxMe1-xS量子点薄膜的微结构和能带结构，测量体系的相关光学和热导性质。我们实现了从0.7eV至3.5eV的硫化铅基量子点宽幅带隙调制，并分析了不同因素对带隙调制结果的影响机制。2％Cr掺杂浓度的 PbS量子点薄膜具有1.49 eV的带隙，接近于太阳能电池理想带隙1.5eV，可以最大程度地吸收可见光。与纯的PbS膜相比，2％Cr浓度掺杂的 PbS纳米薄膜表现出最小的电阻率，对应优良的低功耗性能。项目的完成对硫化铅基半导体材料在太阳能领域的应用，以及硫化铅基量子点的生长机制和物理性质研究，具有重要的理论和实践意义。