硫化物纳米纤维薄膜多激子产生的机理研究

Sulfide nanofibre film doped poly-phenylvinylene is very important in the research field of solar cell because its component (inorganic semiconductor nanomaterial/orgnic polymer) combines respective merit. However, it is not clear to us the mechanism on multiple exciton generation, which is used to promote charge separation and improve the efficiency of optoelectronic conversion. The factors and rule are not systematic for the effect of effeciency of optoelectronic conversion. Due to low tranmittance and weak signal (Rate of change of light intensity is about 10-4) of film,the accuracy is not satisfied because the accuracy of the traditional pump-probe techique is 10-3. Another reason is that tunable multi-wavelength pump-probe is necessary due to the broad spectral range of solar spectrum to be probed. However, single-wavelength pump-probe is usually used. In this porject four kinds of sulfide nanofibre films with diferent energy gap are chosen as subjects investigated. High sensitive femtosecond reflected tunable multi-wavelength pump-probe technique is established for ultrafast dynamics of films measured. The mechanism on its multiple exciton generation will be revealed. With the change of wavelength of pump beam and physical parameters of materials, the effeciency of optoelectronic conversion are investigated contrastively. The optimizing program of preparation is provided. New experimental resullts will be supported experimentally and theoretically for improving the effeciency of optoelectronic conversion of solar cell.

掺杂聚对苯乙炔的硫化物纳米纤维薄膜结合了无机半导体纳米材料和有机聚合物材料各自的优点，使其在太阳能电池材料研究中占有重要的地位。但材料能够促进电荷分离和提高光电转换效率的多激子产生机理尚不明晰，影响光电转换效率的因素及规律研究不系统。其一在于薄膜材料透过率低、信号弱（光强变化率约10-4量级），研究机理需用的传统的泵浦探测技术可测精度为10-3量级，无法满足精度要求；其二太阳光能量辐射范围宽，需用可调谐多波长泵浦，目前多采用单一波长泵浦，局限性大。项目选取4种不同带隙宽度硫化物纳米纤维薄膜作为研究对象，提出并应用飞秒新型高灵敏度反射式可调谐多波长泵浦-探测技术研究纳米纤维薄膜材料的超快动力学过程；改变泵浦波长和材料参数，对相应的纳米纤维薄膜光电转换特性进行对比性研究，总结影响光电转换特性的因素及规律；优化材料制备方案，为提高太阳能电池光电转换效率提供理论和实验支持。

半导体纳米材料中的多激子产生使其光电转换效率要比相应的块体材料高，为提高太阳能电池的光电转换效率，通常以半导体纳米材料掺杂聚合物构成太阳能电池的工作物质，这类材料综合了无机、有机、半导体和纳米材料的多种功能，在有效利用光能提高光电转换效率方面有着良好的发展前景。.在半导体纳米材料的选择方面，硫族半导体纳米材料在近红外有较强的吸收同时又保留了聚合物材料良好的柔韧性和可加工性。掺杂的聚合物材料主要有聚苯乙炔类,聚噻吩类，聚苯胺类，聚芴类。其中聚对苯乙炔（简称为PPV）具有密度小﹑易加工﹑可成膜以及电导率可调节等特点使其在太阳能电池领域得到广泛的应用。新型复合纳米结构材料有望显著改善聚合物半导体材料光电转换性能，从而加快聚合物半导体光电转换等能源转化技术的实用化进程。.本项目进行了几种硫化物半导体量子点的制备、表征；半导体壳核量子点的制备、表征；掺杂PVA纳米复合薄膜，掺杂PPV的硫化物纳米纤维的制备，尝试改变硫化物纳米粒子的浓度、粒子尺寸、硫化物种类、薄膜厚度等因素，制备得到量子点和纳米薄膜。课题组成功制备了CdTe/ZnS、CdTe/CdS核壳量子点CdTe/PVA纳米薄膜、CdS/PPV、Ag2S/PVP、CdS/PVA/PPV半导体复合纳米纤维，该方法得到的纳米纤维直径在90-300nm，纤维内部和表面的无机半导体纳米粒子的直径在3.0-11.0nm。.完成了半导体量子点、壳核量子点、半导体纳米薄膜的非线性光学特性和光物理特性方面的研究；对纳米薄膜低温荧光特性进行研究。提出并应用飞秒OPA新型高灵敏度反射式泵浦-探测技术观测其超快动力学过程，得到相干振荡的强度和寿命等参数随着泵浦能量变化的关系，开展了与体材料CdSe的相干声子的对比研究工作，使用双色泵浦探测光谱技术研究随泵浦能量变化的动力学过程，发现了可逆的热熔过程，给出不同泵浦能量区域的瞬态反射率的变化、相干声子的强度变化和5ps时刻的反射率变化曲线。研究了CdTe/CdS核壳结构量子点的核心尺寸、壳层厚度对非线性光学特性的影响，给出材料制备的优化方案，为提高太阳能电池光电转换效率提供理论依据和实验支持。