纳米结构光电器件及其界面性质研究

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当今社会,光电器件在人们的日常生活中扮演着不可或缺的角色。与传统的体材料光电器件相比,日益兴起的纳米结构光电器件优异的光电转换性能引起了人们的广泛关注。光电器件工作时光子向电子或者电子向光子发生能量相互转换时,通常包含了载流子的产生,复合,分离,收集等动力学过程,这些过程都与器件的表/界面有着十分密切的关系。而当器件尺寸按比例缩小到纳米级别的时候,器件中表/界面所占比例急剧增加,对载流子在表/界的动力学过程造成了决定性地影响,从而成为影响器件性能的重要因素。因此如何从微观角度研究纳米结构光电器件界面,并且理解宏观器件性质与器件中表/界面微观物理机制之间的相互关联,对于提高光电器件的性能具有极其重要的指导意义。在本论文的研究中我们制备了有机光伏器件,有机无机杂化光伏器件和光电探测器等纳米结构光电器件,利用扫描开尔文探针显微镜(SKPM)和半导体参数分析仪,研究了工作状态下的器件界面载流子的分离,复合和收集等输运过程,并根据得到的微观规律实现了对器件的性能优化。在第一章中,我们简单介绍了本论文中涉及的光伏器件和光电探测器的发展以及决定器件性能的因素,接着我们例举了纳米结构器件测试时进行屏蔽和保护的重要性。随后我们介绍了本论文使用的扫描开尔文探针显微镜(scanning Kelvin probe microscopy, SKPM)的原理和在纳米结构器件中的应用,以及我们实验室发展的介电力显微镜(dielectric force microscopy, DFM)在一维纳米材料中的应用。在第二章中,我们利用SKPM直接观测处于工作状态的有机光伏器件(OPV)横截面电势分布。通过研究平面异质结(planar junction, PJ)和正式结构体异质结(bulk heterojunction, BHJ) OPV器件,证实横截面电势分布能够反映器件内建电势,并建立了器件横截面电势分布与开路电压(Voc),短路电流(Jsc)和填充因子(FF)的直接关联,揭示了优化的器件内部电势分布能有效促进光生载流子的分离和收集。在第三章中,我们利用第二章建立的观测器件横截面电势分布的技术比较了正式结构和反式结构BHJ OPV器件内部电势分布,揭示了电极界面层的合理选择不仅能有效调控电极功函数,而且能影响器件内部电场方向和光生载流子的收集过程。随后我们研究了碱金属碳酸盐修饰的氧化铟锡(ITO)的表面形貌和功函数对实现载流子选择性收集的作用,并证明除了碳酸铯(Cs2CO3),其他碱金属碳酸盐也能成功应用在反式结构器件BHJ OPV器件中。在第四章中,我们通过研究Si纳米线/PEDOT:PSS光伏器件和ZnO纳米线/CuPc光电探测器两种有机无机纳米线的杂化器件,发现有机-无机界面能够有效地钝化纳米线的表面态,促进光生电子空穴对在有机无机杂化界面高效分离。随后我们通过调控纳米线表面态密度证明,光生载流子在其收集过程中会通过表面态发生直接或者间接复合。虽然载流子的复合会损害光伏器件的能量转换效率,但是却加快了光电探测器的响应速度,因此如何根据不同光电器件的需求,利用或者抑制表面态引起的界面复合是能否进一步提高有机无机杂化结构光电器件性能的关键因素。
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