研究生: |
陳映汝 Chen, Ying-Ju |
---|---|
論文名稱: |
低毒性前驅物硫化鉛量子點之光伏元件 The Study on Photovoltaic Device of Lead Sulfide Quantum Dot via Low-toxic Precursor Synthesis |
指導教授: |
陳學仕
Chen, Hsueh-Shih |
口試委員: |
王冠文
Wang, Kuan-Wen 闕郁倫 Chueh, Yu-Lun |
學位類別: |
碩士 Master |
系所名稱: |
工學院 - 材料科學工程學系 Materials Science and Engineering |
論文出版年: | 2018 |
畢業學年度: | 107 |
語文別: | 英文 |
論文頁數: | 85 |
中文關鍵詞: | 量子點 、硫化鉛 、光伏元件 、低毒性 |
外文關鍵詞: | Quantum dots, PbS, Photovoltaics, low-toxic. |
相關次數: | 點閱:2 下載:0 |
分享至: |
查詢本校圖書館目錄 查詢臺灣博碩士論文知識加值系統 勘誤回報 |
在本篇研究中採用兩種替代的方式合成硫化鉛膠體量子點,以取代傳統由高毒性前驅物六甲基二矽硫烷的使用。適合作為太陽能元件中吸收層、能隙介於1至1.45電子伏特的硫化鉛量子點皆可以透過調整反應參數從兩種途徑中合成。藉由改善表面配體置換流程及元件設計,已製備出能量轉換效率高於5%的量子點太陽能元件。其中我們採用了液相配體置換流程製備量子點墨水,並以一次性塗佈製程形成太陽能元件吸收層,此置換流程能使量子點表面由較多的鹵素鈍化且能提升太陽能元件的電流密度至25 mA/cm2。在本篇研究中,由於使用較低價格的前驅物合成硫化鉛量子點並採取簡易的一次性塗佈製程,進而能大幅降低元件製造成本,於未來大規模量子點光伏應用中深具潛力。
In this work, two alternative synthetic routes are employed to obtain lead sulfide (PbS) colloidal quantum dots (CQDs) for avoiding the usage of highly toxic sulfur precursor bis(trimethylsilyl) sulfide (TMS2S). The PbS CQDs with bandgap from 1.45 to 1 eV which are adaptable as absorber materials for photovoltaics can be obtained from both routes by tuning the reaction parameters. Through the improvements of ligand-exchange process and the architectural design, PbS CQD-based devices with PCE exceeding 5% under one sun illumination have been fabricated. Herein, we adopt the single-step active layer fabrication via solution-phase ligand-exchange process to increase the halide substitution ratio and achieve a high current density of 25 mA/cm2. The lower material cost as well as facile fabrication provide potential in large-scale manufacture and enhance the feasibility for PbS CQD-based photovoltaic applications.
H. W. Hillhouse and M. C. Beard, Curr. Opin. Colloid. In., 2009, 14, 245-259.
J. Tang and E. H. Sargent, Adv. Mater., 2011, 23, 12-29.
M. A. Hines and G. D. Schole, Adv. Mater., 2003, 15, 1844-1849.
X. Lan, O. Voznyy, A. Kiani, F. P. G. de Arquer, A. S. Abbas, G. Kim, M. Liu, Z. Yang, G. Walters, J. Xu, M. Yuan, Z. Ning, F. Fan, P. Kanjanaboos, I. Kramer, D. Zhitomirsky, P. Lee, A. Perelgut, S. Hoogland and E. H. Sargent, Adv. Mater., 2016, 28, 299-304.
D. Ko, A. Maurano, S. K. Suh, D. Kim, G. W. Hwang, J. C. Grossman, V. Bulović, and M. G. Bawendi, ACS Nano, 2016, 10, 3382-3388.
X. Lan, O. Voznyy, F. P. G. de Arquer, M. Liu, J. Xu, A. H. Proppe, G. Walters, F. Fan, H. Tan, M. Liu, Z. Yang, S. Hoogland and E. H. Sargent, Nano Lett., 2016, 16, 4630-4634.
Z. Ning, Y. Ren, S. Hoogland, O. Voznyy , L. Levina, P. Stadler , X. Lan, D. Zhitomirsky and E. H. Sargent, Adv. Mater., 2012, 24, 6295-6299.
J. Lovrić, H. S. Bazzi, Y. Cuie, G. R. Fortin, F. M. Winnik and D. Maysinger, J. Mol. med., 2005, 83, 377-385.
S.J. Cho, D. Maysinger, M. Jain, B. Röder, S. Hackbarth and F. M. Winnik, Langmuir, 2007, 23, 1974-1980.
M. Kuno, D. P. Fromm, H. F. Hamann, A. Gallagher, and D. J. Nesbitt, J. Chem. Phys., 2000, 112, 3117-3120.
I. Robel, M. Kuno and P. V. Kamat, J. Am. Chem. Soc., 129, 4136-4137.
W. T. Sun, Y. Yu, H. Y. Pan, X. F. Gao, Q. Chen and L. M. Peng, J. Am. Chem. Soc., 2008, 130, 1124-1125.
S. C. Lin, Y. L. Lee, C. H. Chang, Y. J. Shen and Y. M. Yang, Appl. Phys. Lett., 2007, 90, 143517.
S. K. Panda, S. G. Hickey, H. V. Demir, and A. Eychmüller, Angew. Chem. Int. Edit., 2011, 50, 4432-4436.
J. Seufert, M. Obert, M. Scheibner, N. A. Gippius, G. Bacher, and A. Forchel, Appl. Phys. Lett., 2011, 79, 1033-1035.
H. Mattoussi, J. M. Mauro, E. R. Goldman, G. P. Anderson, V. C. Sundar, F. V. Mikulec, and M. G. Bawendi, J. Am. Chem. Soc., 2000, 122, 12142-12150.
R. A. M. Hikmet, D. V. Talapin and H. Weller, J. Appl. Phys., 2003, 93, 3509-3514.
A. Zaban, O. I. Mićić, B. A. Gregg, and A. J. Nozik, Langmuir, 1998, 14, 3153-3156.
O. I. Micic, C. J. Curtis, K. M. Jones, J. R. Sprague, and A. J. Nozik, J. Appl. Phys., 1994, 98, 4966-4969.
J. Phillips, K. Kamath, and P. Bhattacharya, Appl. Phys. Lett., 1998, 72, 2020-2022.
K. Nishi, H. Saito, S. Sugou and J. S. Lee, Appl. Phys. Lett., 1999, 74, 1111-1113.
I. Moreels, K. Lambert, D. Smeets, D. De Muynck, T. Nollet, J. C. Martins, F. Vanhaecke, A. Vantomme, C. Delerue, G. Allan and Z. Hens, ACS Nano, 2009, 3, 3023-3030.
L. Bakueva, I. Gorelikov, S. Musikhin, X. S. Zhao, E. H. Sargent and E. Kumacheva, Adv. Mater., 2004, 16, 926-929.
J. M. Pietryga, R. D. Schaller, D. Werder, M. H. Stewart, V. I. Klimov, and J. A. Hollingsworth, J. Am. Chem. Soc., 2004, 126, 11752-11753.
J. S. Steckel, S. Coe‐Sullivan, V. Bulović and M.G. Bawendi, Adv. Mater., 2003, 15, 1862-1866.
T. Pons, E. Pic, N. Lequeux, E. Cassette, L. Bezdetnaya, F. Guillemin, F. Marchal and B. Dubertret, ACS Nano, 2010, 4, 2531-2538.
L. Li, T. J. Daou, I. Texier, T. T. K. Chi, N. Q. Liem and P. Reiss, Chem. Mater., 2009, 21, 2422-2429.
M. G. Panthani, V. Akhavan, B. Goodfellow, J. P. Schmidtke, L. Dunn, A. Dodabalapur, P. F. Barbara and B. A. Korgel, J. Am. Chem. Soc., 2008, 130, 16770-16777.
Q. Guo, S. J. Kim, M. Kar, W. N. Shafarman, R. W. Birkmire, E. A. Stach, R. Agrawal and H. W. Hillhouse, Nano Lett., 2008, 8, 2982-2987.
G. T. Einevoll, Phys. Rev. B, 1992, 45, 3410-3417.
M. C. Weidman, M. E. Beck, R. S. Hoffman, F. Prins, and W. A. Tisdale, ACS Nano, 2014, 8, 6363-6371.
P. Moroz, G. Liyanage, N. N. Kholmicheva, S. Yakunin, U. Rijal, P. Uprety, E. Bastola, B. Mellott, K. Subedi, L. Sun, M. V. Kovalenko and M. Zamkov, Chem. Mater., 2014, 26, 4256-4264.
S. A. McDonald, G. Konstantatos, S. Zhang, P. W. Cyr, E. J. Klem, L. Levina and E. H. Sargent, Nat. Mater., 2005, 4, 138-142.
G. Konstantatos, I. Howard, A. Fischer, S. Hoogland, J. Clifford, E. Klem, L. Levina and E. H. Sargent, Nature, 2006, 442, 180-183.
C. H. Chuang, P. R. Brown, V. Bulovic and M. G. Bawendi, Nat. Mater., 2014, 13, 796-801.
M. Liu, O. Voznyy, R. Sabatini, F. P. Garcia de Arquer, R. Munir, A. H. Balawi, X. Lan, F. Fan, G. Walters, A. R. Kirmani, S. Hoogland, F. Laquai, A. Amassian and E. H. Sargent, Nat. Mater., 2017, 16, 258-263.
S. K. Shin, H. Yoon, Y. J. Jung, and J. W. Park, Curr. Opin. Biotechnol., 2006, 10, 423-429.
J. H. Song and S. Jeong, Nano Converg., 2017, 4, 1-8.
Y. Cheng, E. S. Arinze, N. Palmquist and S. M. Thon, Nanophotonics, 2016, 5, 31-54.
J. Park, S. G. Kwon, Y. Jang and T. Hyeon, Angew. Chem. Int. Edit., 2007, 46, 4630-4660.
L. Cademartiri, J. Bertolotti, R. Sapienza, D. S. Wiersma, G. von Freymann and G. A. Ozin, J. Phys. Chem. B, 2006, 110, 671-673.
J. Zhang, J. Gao, E. M. Miller, J. M. Luther and M. C. Beard, ACS Nano, 2014, 8, 614-622.
I. Moreels, Y. Justo, B. De Geyter, K. Haustraete, J. C. Martins and Z. Hens, ACS Nano, 2011, 5, 2004-2012.
R. Koole, P. Schapotschnikow, C. de Mello Donegá, T. J. H. Vlugt and A. Meijerink, ACS Nano, 2008, 2, 1703-1714.
N. Pradhan, D. Reifsnyder, R. Xie, J. Aldana and X. Peng, J. Am. Chem. Soc., 2007, 129, 9500-9509.
V. K. LaMer and R. H. Dinegar, J. Am. Chem. Soc., 1950, 72, 4847–4854.
R. García-Rodríguez, M. P. Hendricks, B. M. Cossairt, H. Liu and J. S. Owen, Chem. Mater.,2013, 25, 1233-1249.
M. P. Hendricks, M. P. Campos, G. T. Cleveland, I. Jen-La Plante and J. S. Owen, Science, 2015, 348, 1226-1230.
J. M. Luther, J. Gao , M. T. Lloyd, O. E. Semonin, M. C. Beard and A. J. Nozik, Adv. Mater., 2010, 22, 3704-3707.
A. G. Pattantyus-Abraham, I. J. Kramer, A. R. Barkhouse, X. Wang, G. Konstantatos, R. Debnath, L. Levina, I. Raabe, M. K. Nazeeruddin, M. Gratzel and E. H. Sargent, ACS Nano, 2010, 4, 3374-3380.
Z. Yang, J. Z. Fan, A. H. Proppe, F. P. G. de Arquer, D. Rossouw, O. Voznyy, X. Lan, M. Liu, G. Walters, R. Quintero-Bermudez, B. Sun, S. Hoogland, G. A. Botton, S. O. Kelley and E. H. Sargent, Nat. Commun., 2017, 8, 1325.
K. W. Johnston, A. G. Pattantyus-Abraham, J. P. Clifford, S. H. Myrskog, S. Hoogland, H. Shukla, E. J. D. Klem, L. Levina and E. H. Sargent, Appl. Phys. Lett., 2008, 92, 12211.
J. Tang, X. Wang, L. Brzozowski, D. A. R. Barkhouse, R. Debnath, L. Levina and E. H. Sargent, Adv. Mater., 2010, 22, 1398-1402.
G. H. Carey, A. L. Abdelhady, Z. Ning, S. M. Thon, O. M. Bakr and E. H. Sargent, Chem. Rev., 2015, 115, 12732-12763.
P. R. Brown, R. R. Lunt, N. Zhao T. P. Osedach, D. D. Wanger, L.Chang, Moungi G. Bawendi and V. Bulović, Nano Lett., 2011, 11, 2955-2961.
C. Cho, J. Song, C. Kim, S. Jeong and Jung-Yong Lee, Sci. Rep., 2017, 7, 17393.
F. J. Beck, A. Stavrinadis, S. L. Diedenhofen, T. Lasanta and G. Konstantatos, ACS Photonics, 2014, 1, 1197-1205.
D. Zherebetskyy, M. Scheele, Y. Zhang, N. Bronstein, C. Thompson, D. Britt, M. Salmeron, P. Alivisatos and L. Wang, Science, 2014, 334, 1380-1384.
D. V. Talapin, J. Lee, M. V. Kovalenko and E. V. Shevchenko, Chem. Rev., 2010, 110, 389-458.
Y. Liu, M. Gibbs, J. Puthussery, S. Gaik, R. Ihly, H. W. Hillhouse and M. Law, Nano Lett., 2010, 10, 1960-1969.
A. H. Ip, S. M. Thon, S. Hoogland, O. Voznyy, D. Zhitomirsky, R. Debnath , L. Levina, L. R. Rollny, G. H. Carey, A. Fischer, K. W. Kemp, I. J. Kramer, Z. Ning, A. J. Labelle, K. W. Chou, A. Amassian and E. H. Sargent. Nat. Nanotechnol., 2012 7, 577-582.
A. Stavrinadis, S. Pradhan, P. Papagiorgis, G. Itskos and G. Konstantatos, ACS Energy Lett., 2017, 2, 739-744.
Z. Ning, O. Voznyy, J. Pan, S. Hoogland, V. Adinolfi, J. Xu, M. Li, A. R. Kirmani, J. Sun, J. Minor, K. W. Kemp, H. Dong, L. Rollny, A. Labelle, G. Carey, B., Sutherland, I. Hill, A. Amassian, H. Liu, J. Tang, O. M. Bakr and E. H. Sargent, Nat. Mater., 2014, 13, 822-828.
P. R. Brown, D. Kim, R. R. Lunt, N. Zhao, M. G. Bawendi, J. C. Grossman and V. Bulović, ACS Nano, 2014, 8, 5863-5872.
M. Yuan, M. Liu and E. H. Sargent, Nat. Energy, 2016, 1, 16016.
M. Yuan , K. W. Kemp , S. M. Thon, J. Y. Kim , K. W. Chou, A. Amassian and E.H. Sargent, Adv. Mater., 2014, 26, 3513-3519.
L. K. Sagar, W. Walravens, Q. Zhao, A. Vantomme, P. Geiregat and Z. Hens, Chem. Mater. 2016, 28, 6953-6959.
H. Choi, J. Ko, Y. Kim and S. Jeong, J. Am. Chem. Soc., 2013, 135, 5278-5281.
P. Baruch, A. De Vos, P. T. Landsberg and J. E. Parrott, Sol. Energy Mater. Sol. Cells, 1995, 36, 201-222.
W. N. Shafarman, R. Klenk and Brian E. McCandless, J. Appl. Phys., 1996, 79, 7324-7328.
S. Pradhan, Al. Stavrinadis, S. Gupta, S. Christodoulou and G. Konstantatos, ACS Energy Lett., 2017, 2, 1444-1449.
C. M. Chuang, A. Maurano, R. E. Brandt, G. W. Hwang, J. Jean, T. Buonassisi, V. Bulović and M. G. Bawendi, Nano Lett., 2015, 15, 3286−3294.
A. Polman, M. Knight, E. C. Garnett, B. Ehrler and W. C. Sinke, Science, 2016, 352, aad4424.
S. Kim, J. Noh, H. Choi, H. Ha, J. H. Song, H. C. Shim, J. Jang, M. C. Beard and S. Jeong, J. Phys. Chem. Lett., 2014, 5, 4002-4007.
S. Li, C. Chang, Y. Wang, C. Lin, D. Wang, J. Lin, C. Chen, H. Sheu, H. Chia, W. Wu, U. Jeng, C.e Liang, R. Sankar, F. Chough and C. Chen, Energy Environ. Sci., 2016, 9, 1282.
K. S. Leschkies, M. S. Kang, E. S. Aydil and D. J. Norris, J. Phys. Chem. C, 2010, 114 , 9988-9996.
R. Ihly, J. Tolentino, Y. Liu, M. Gibbs and Matt Law, ACS Nano, 2011, 5, 8175-8186.
I. J. Kramer, L. Levina, R. Debnath, D. Zhitomirsky and E. H. Sargent, Nano Lett., 2011, 11, 3701-3706.
J. Tang, L. Brzozowski, D. A. R. Barkhouse, X. Wang, R. Debnath, R. Wolowiec, E. Palmiano, L. Levina, A. G. Pattantyus-Abraham, D. Jamakosmanovic and E. H. Sargent, ACS Nano, 2010, 4, 869-878.
D. V. Talapin and C. B. Murray, Science, 2005, 310, 86-89.
K. Stadelmann, A. Elizabeth, N. M. Sabanés and K. F.Domke, Vib. Spectrosc., 2017, 91, 157-162.
M. Sykora, A. Y. Koposov, J. A. McGuire, R. K. Schulze, O. Tretiak, J. M. Pietryga and V. I. Klimov, ACS Nano, 2010, 4, 2021-2034.
M. A. Boles, D. Ling, T. Hyeon and D. V. Talapin, Nat. Mater., 2016, 15, 141-153.
I. B. Obot, N. O. Obi-Egbedi and S. A. Umoren, Corrosion Sci., 2009, 51, 276-282.