[發明專利]一種具有長壽命熱電子的量子點(QDs)及其制備方法

在審

• 申請號: 201811441701.3
• 申請日: 2018-11-29
• 公開（公告）號: CN111244204A
• 公開（公告）日: 2020-06-05
• 發明（設計）人: 吳凱豐;王荔峰;陳宗威
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: H01L31/0352
• 分類號: H01L31/0352;H01L31/18
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 馬馳

本發明具體公開了一種具有長壽命熱電子的量子點(QDs)及其制備方法。在光伏器件領域，對熱電子進行有效轉移是一種克服Shockley–Queisser限制的重要方式。在本發明中，銅摻雜硒化鎘量子點摻雜的銅離子可以在飛秒時間尺度將價帶上的空穴捕獲，從而抑制了熱電子的這種俄歇型冷卻途徑，使熱電子壽命從數百飛秒延長到了數十納秒，延長了～5個數量級。并且在電子受體存在條件下，～82％的熱電子可以被提取，這對發展高效太陽能電池有重要意義。

技術領域

本發明專利屬于量子點半導體領域，具體涉及一種具有長壽命熱電子的量子點(QDs)及其制備方法。

背景技術

在傳統太陽能電池中，由于熱載流子會通過與聲子發生相互作用而快速馳豫至帶邊，所以高于半導體帶隙的載流子的多余能量會以熱的形式損失，這也是影響太陽能轉換效率的主要原因。將熱電子或熱空穴有效轉移至受體是突破Shockley–Queisser限制的重要途徑，有可能將太陽能的轉換效率提高至66％。然而，由于熱電子通常會在亞皮秒時間尺度馳豫至帶邊，所以目前熱電子很難發生界面電荷轉移，熱空穴的有效轉移也是類似的道理。

一種可以有效提取熱電子的方法是通過精細調節供體-受體界面，在界面處實現強的電子耦合從而加速界面電荷轉移，進而和亞皮秒的熱電子馳豫速率相競爭。比如，人們之前發現將硒化鉛量子點用短鏈配體處理后可以和單晶二氧化鈦在界面處實現強的電子耦合，從而實現50fs的熱電子轉移。另一個相關的例子是從金納米顆粒到硒化鎘納米棒的等離激元誘導的熱電子轉移，強烈耦合的金-硒化鎘界面可以實現～20fs的電子注入。然而，這種方法的缺陷是強的界面電子耦合也會加速電荷復合過程，所以在這種方法中，電子受體只是扮演了熱電子馳豫的中轉站，并不能將熱電子有效利用。

另一種更加合理的提取利用熱電子的途徑是通過抑制熱電子的馳豫速率，從而對熱電子進行利用。在大多數無機材料中，包括半導體和金屬，熱電子主要是通過與聲子發生耦合而馳豫至帶邊。人們最近發現，鹵化鉛鈣鈦礦可能是一個例外，然而，只有非常少的組分(10％)有～100ps的熱電子壽命，大部分的熱電子仍然會在1ps內馳豫至帶邊。人們預測的另一種具有長壽命熱電子壽命的材料是半導體膠體量子點。在半導體量子點中，由于強的量子限域效應，能級發生分裂，相鄰能級的能量差高于縱向聲子能量，熱電子從而不能和聲子發生有效耦合。但是人們通過超快光譜實驗發現在量子點中的熱電子壽命仍在亞皮秒時間尺度。這是由于在量子點中，熱電子會通過俄歇型的機制將高于帶隙的能量傳遞給空穴，從而馳豫至帶邊，而價帶上能級排列較密，熱空穴可以通過與聲子發生耦合從而冷卻。

由于在量子點材料中，熱電子主要是通過俄歇型的冷卻機制馳豫至帶邊的，所以延長熱電子壽命的重要途徑是將電子和空穴去耦合，從而抑制二者之間的能量轉移。的確，人們在CdSe/ZnS/ZnSe/CdSe核/多層殼量子點中發現了數十皮秒的熱電子，并且通過使用近紅外吸收的封裝配體，可以實現1ns的熱電子壽命。但是，具有復雜核殼結構的量子點其缺陷在于將熱載流子提取出來比較困難，從而限制了其在能量轉換中的應用。

在本發明中，我們發現在一種簡單體系——銅摻雜量子點中便可以對熱電子馳豫進行有效抑制。這些量子點人們已經研究了數十年，對其特征光發射和光致磁性性質進行了深入研究。這些性質都是由于銅缺陷態可以將空穴以超快的速率捕獲。目前人們還沒有對銅摻雜量子點的熱電子轉移進行研究。在本發明中，我們發現銅缺陷態可以將空穴捕獲，從而和亞皮秒的俄歇型能量轉移競爭，進而將電子空穴有效去耦合，延長了熱電子的壽命。在分子電子受體存在下，～82％的熱電子可以被提取。并且電荷分離態的壽命也比較長，電荷復合時間遠大于8納秒。

發明內容

本發明的目的在于，提供一種具有長壽命熱電子的量子點及其制備方法，以解決上述存在的熱電子難以提取利用的技術問題。

一種具有長壽命熱電子的量子點(QDs)及其制備方法，其制備方法包括以下步驟：