鹵氧鉍基異質結薄膜界面微結構調控及光電性能研究.pdf

1、鹵氧化鉍作為一類典型 V-VI-VII族半導體材料，具有獨特的內部晶體結構和良好的光催化活性。特別是自鹵氧化鉍被報道具有光電活性以來，因其低毒、廉價等特點在光伏電池領域的潛在應用也備受關注。本論文旨在通過環(huán)境友好的綠色合成手段，在低溫下制備出鹵氧化鉍及鹵氧鉍基異質結薄膜材料，通過對實驗參數的優(yōu)化實現對產物的微觀形貌、晶體結構和晶體生長方向等的調控；通過表面修飾技術或鹵族元素本身的自摻雜(BiOXnY1-n)，實現對鹵氧鉍基納米材料帶隙和

2、界面微結構的調控；綜合利用電化學交流阻抗(EIS)、莫特-肖特基(Mott-Schottky)曲線、穩(wěn)態(tài)表面光電壓(SPV)和瞬態(tài)表面光電壓(TPV)等技術重點研究鹵氧化鉍半導體材料的導電類型、能帶結構及鹵氧鉍基異質結表/界面空間電荷區(qū)中光生載流子的產生、分離、傳輸和復合機制；通過上述研究實現對鹵氧鉍基異質結界面結構的調控，弄清這類異質結電池的工作機制，建立鹵氧鉍基雜化本體異質結薄膜太陽能電池材料合成方法及器件模型。其主要創(chuàng)新點和結論如

3、下：
　　1、實現了對BiOX(X=CI、Br、I)薄膜導電類型的調控。半導體的表面態(tài)決定著半導體的類型，BiOCI、BiOBr和 BiOI雖然同屬于鹵氧化鉍半導體且具有相似的晶體結構和電子結構，但是由于受到各自表面態(tài)的影響而分別表現出不同的導電類型。莫特-肖特基(Mott-Schottky)曲線和表面光電壓測試結果表明：室溫下利用順序離子層沉積法(SILAR)制備的BiOCl和BiOI納米片陣列薄膜顯示n-型半導體的特性，而Bi

4、OBr薄膜卻顯示p-型半導體的特性，而已報道的多數文獻中常把鹵氧化鉍均作為p-型半導體材料來研究。通過在BiOBr薄膜中摻雜適量的碘，可改變其p-型半導體的特性，得到n-型BiOBr1-xIx薄膜材料，并且顯著提高鹵氧化鉍薄膜材料中載流子的密度，從而提高薄膜的光電性能。
　　2、通過摻雜實現了鹵氧化鉍薄膜帶隙的連續(xù)調控。首次在室溫下利用SILAR法成功制備了具有完美的單晶結構的I摻雜BiOBr1-xIx(x=0.139、0.212

5、、0.488)納米片陣列薄膜，其優(yōu)勢生長晶面為(110)面，I的摻雜并沒有改變BiOBr本身的晶體結構，I可以進入BiOBr的晶格替代了部分Br；隨著I摻雜量的增加，BiOBr1-xIx薄膜的顏色逐漸加深，吸收波長紅移，帶隙值在2.84 eV～1.89 eV范圍內進行變化。說明通過I的摻雜窄化了鹵氧化鉍薄膜的禁帶寬度，實現了對鹵氧化鉍薄膜帶隙的連續(xù)調控。
　　3、實現了鹵氧鉍基異質結薄膜的原位構建及界面微結構調控。采用SILAR和

6、CBD及離子交換等方法相結合，低溫構筑了 BiOBr/CdS、BiOBr/Bi2S3及柔性BiOI/Bi2S3納米片異質結薄膜材料。硫化物在鹵氧化鉍納米片表面的生長具有晶面取向性，比如Bi2S3納米顆粒會優(yōu)先選擇生長在BiOBr的(110)晶面上。實驗結果證實鹵氧化鉍/硫化物異質結的構建可以有效提高光生載流子的分離效率，延長載流子壽命。以 BiOBr/CdS為例，在p-BiOBr/n-CdS異質結結構中，光生電荷的產生、分離和傳輸過程既

7、受到界面內建電場的影響又取決于BiOBr和CdS的表面電場，同時依賴于外層 CdS納米顆粒的厚度和入射光的波長；當入射光波長較長時(λ>360 nm)，界面電場和表面電場共同影響光生電荷的分離和傳輸；而當入射光波長較短時(λ<360 nm)，其表面電場在光生電荷的分離和傳輸的過程中起主導作用；n-型BiOI和n-Bi2S3之間構成了同型異質結(n-n結)，而BiOI和Bi2S3之間的光生電荷轉移過程可以通過n-n半導體的 Z-型機理進行

8、解釋。
　　4、鹵氧鉍基雜化本體異質結薄膜太陽能電池器件光伏性能及機理研究。我們組裝的鹵氧鉍基異質結薄膜太陽能電池器件的光電轉換效率為1.26％，雖然目前效率還不高、有待進一步的優(yōu)化，但據我們所知該效率已是報道的鹵氧化鉍光電轉化效率的最高值。此外，我們發(fā)現硫化物的沉積量對異質結薄膜光電性能起著至關重要的影響，隨著硫化物納米顆粒沉積厚度的增加，異質結薄膜的光電性能逐漸提高。但當過量的硫化物納米顆粒聚集在BiOX納米片表面時，反而會阻