超高迁移率p型CdS纳米线：表面电荷转移掺杂及其光伏器件

【摘要】：低维半导体纳米结构具有优异的电学、光学特性，吸引了广泛的研究兴趣。CdS作为一种重要的II-VI族直接带隙半导体，室温下的禁带宽度为2.42eV，在光电子器件方面有着广阔的应用前景。而掺杂是半导体材料应用于器件的关键前提，因此CdS的n型掺杂已经被诸多学者研究并得以实现。但是，由于受到自补偿效应的影响，CdS的p型掺杂问题至今得不到解决，所以关于CdS的p型掺杂的研究亟待展开。 本文根据表面电荷转移掺杂的方法，系统地研究了CdS纳米线p型掺杂的问题。此外，结合微纳加工工艺，我们构建了基于p型CdS纳米线的同质结、异质结光伏器件，并对其电学、光学等方面的性能进行了详细的研究。具体研究成果如下： 1、采用表面电荷转移掺杂的方式，在CdS纳米线表面包裹MoO_3薄层，国际上首次制备了高质量的p型CdS纳米线。通过对纳米线底栅场效应晶体管器件的电学测试得到，包裹MoO_3薄层后，CdS纳米线从原来的弱n型电导转变成p型电导，电阻从3.3×1011降至4.7×103，降幅达到了7个数量级以上，而空穴迁移率更是令人惊奇地高达2035cm~2V~(-1)s~(-1)。多样品、长时间、低温下等各方面的测试表明，所制备的p型CdS纳米线重复性好，稳定性强。 2、采用微纳加工工艺，合理地构建了单根CdS纳米线同质结光伏器件。经过类似前面的测试发现，通过表面电荷转移掺杂，n型CdS：Ga纳米线也能转变成为p型CdS纳米线。在此基础上，我们制备了单根CdS纳米线同质结器件。电学测试表明，所制备的单根CdS纳米线同质结器件表现出了良好的整流特性，从-2V到2V，整流比高达1.6×10~2，开启电压为1.0V，而在低正向偏压下的理想因子为2.8。同时，所制备同质结器件展示出了良好的光伏性能。在约1.5mW cm~(-2)的白光照射下，所制备的纳米同质结光伏器件的开路电压(VOC)和短路电流密度(JSC)分别为0.10V和of0.72mA cm~2，而填充因子为35.23%，由此而最终算得光电转换效率为1.65%。 3、开发了p型CdS纳米线的异质结器件应用。在前面实验的基础上，我们制备了p型CdS纳米线/n型Si异质结器件。经过电学测试和分析表明，所制备的异质结器件的整流特性良好，从-1.5V到1.5V，整流比高达2.3×10~2，正向开启电压为0.7V。在低正向偏压下，可推算得理想因子为2.4。有意义的是，p型CdS纳米线/n型Si异质结器件也展示了良好的光伏性能：在1.5mW·cm~(-2)白光照射下，开路电压(VOC)和短路电流密度(JSC)分别达到了0.15V和of0.52mA·cm~(-2)，而经过推算得填充因子(FF)为19.2%，光电转换效率(η)为0.99%。 【关键词】：CdS纳米线 MoO_3 表面电荷转移掺杂 p型掺杂 同质结 异质结
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TB383.1;TN304.2
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-9
• 致谢9-10
• 目录10-12
• 插图清单12-14
• 表格清单14-15
• 第一章 绪言15-27
• 1.1 纳米科技的概述15-16
• 1.1.1 纳米科技的产生与发展15-16
• 1.1.2 纳米科技的研究领域16
• 1.2 半导体一维纳米材料的研究16-21
• 1.2.2 半导体纳米材料的掺杂17-19
• 1.2.3 半导体一维纳米材料的合成19-21
• 1.3 纳米器件的研究21-25
• 1.3.1 场效应晶体管器件21-22
• 1.3.2 光电器件22-24
• 1.3.3 传感器件24-25
• 1.3.4 其他功能器件25
• 1.4 课题研究背景与目的25-27
• 第二章 实验药品、工艺及表征27-38
• 2.1 实验所需药品27-28
• 2.2 实验工艺28-32
• 2.2.1 一维纳米材料的合成工艺28
• 2.2.2 纳米器件制备工艺28-32
• 2.3 表征32-38
• 2.3.1 材料表征32-36
• 2.3.2 器件表征36-38
• 第三章 超高迁移率 p 型 CdS 纳米线：表面电荷转移掺杂38-51
• 3.1 前言38-39
• 3.2 CdS 纳米线的表面电荷转移 p 型掺杂39-48
• 3.2.1 CdS 纳米线的合成39-42
• 3.2.2 基于表面电荷转移掺杂 p 型 CdS 纳米线场效应管的研究42-46
• 3.2.3 实验解析46-48
• 3.3 基于表面电荷转移掺杂 p 型 CdS 纳米线场效应管低温特性的研究48-50
• 3.4 本章小结50-51
• 第四章 ：单根 CdS 纳米线同质结光伏器件的研究51-56
• 4.1 掺杂 Ga 的 CdS 纳米线电导类型的转变51-52
• 4.2 单根 CdS 纳米线同质结光伏器件的制备52-54
• 4.3 单根 CdS 纳米线同质结光伏器件的电学特性研究54-55
• 4.4 本章小结55-56
• 第五章 ：基于 p 型 CdS 纳米线异质结光伏器件的研究56-60
• 5.1 基于 p 型 CdS 纳米线的异质结光伏器件的制备56-57
• 5.2 基于 p 型 CdS 纳米线的异质结光伏器件的电学特性研究57-59
• 5.3 本章小结59-60
• 第六章 全文总结60-62
• 参考文献62-69
• 攻读硕士期间发表的论文69-71

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