超高迁移率p型CdS纳米线:表面电荷转移掺杂及其光伏器件

超高迁移率pCdS纳米线光伏器件研制获得重要进展 

硫化镉(CdS)是一种重要的II-VI族直接带隙半导体,室温下的禁带宽度为2.42 eV。由于优异的电学、光学特性,它在多种光电子器件和功能器件领域都有重要的应用前景。然而,由于受到自补偿效应的影响,运用经典的杂质原子注入的掺杂方法至今仍然无法得到稳定的p-型CdS,这种现状严重地阻碍了以CdS半导体材料为基础的光电子器件的应用和开发。近期,合肥工业大学电子科学与应用物理学院罗林保教授研究小组与中国科学技术大学俞书宏教授领导的实验室合作,他们提出了一种新颖的表面电荷转移掺杂技术,通过在CdS纳米线表面包裹一层MoO3薄膜,成功实现了CdS的p型掺杂。基于单根纳米线的场效管器件的电学表征表明,所制备的CdS纳米线具有超高的空穴迁移率。且其电导可以通过控制表面掺杂物的厚度而调节。此外,他们还巧妙地设计并制备了高性能的单根CdS纳米线同质p-n结光伏器件。相关研究成果发表在Advanced Energy Materials

传统的掺杂是向待掺杂物内部注入杂质原子,通过在导带和价带之间人为的引入施主或受主能级,从而实现n-型或p-型掺杂。与之不同的是,表面电荷转移掺杂技术是基于被掺杂物与表面掺杂物能带之间的差异,而实现电子或空穴的定向注入。目前,MoO3是已发现的功函数最高的材料,其费米能级远低于CdS的费米能级,所以在CdS纳米线表面紧密地包裹MoO3薄层后,大量的电子会自发地从CdS纳米线注入到MoO3薄层里,由此使得CdS纳米线表层大量地堆积空穴而形成p型半导体。电学测试结果表明,在未掺杂CdS纳米线表面包裹MoO3薄层后,纳米线从弱n型电导转变为明显的p型电导,而且电导率增加了7个数量级以上,空穴迁移率高达2035 cm2 V-1 s-1。这种超高的空穴迁移率得益于这种掺杂技术所具有的特质:待掺杂物与表面掺杂物的空间分离,使得掺杂原子对对载流子的散射左右可以降到最低限度。在此基础上,研究人员将n型CdS:Ga纳米线部分包裹MoO3薄层,成功地构建了单根CdS纳米线同质p-n结光伏器件,并且发现此类光伏器件表现出了良好的光伏性能,光电转换效率达到了1.6%。

与经典的杂质原子掺杂相比,表面电荷转移掺杂具有以下三个明显的优势:第一,它对于设计高性能的光电子器件十分有益。表面掺杂不需要高温扩散、离子注入等传统掺杂方法所采用的各种极端手段,操作条件较为简单。这可以大大降低材料内部的缺陷以及表面吸附分子的数目,有效减小对载流子的散射作用和改善半导体纳米结构传输性能;第二,传统掺杂方法涉及到杂质原子半径与半导体材料晶格的相容性,而表面电荷转移掺杂不用考虑这层关系。同时,表面电荷转移掺杂还可以避免部分半导体材料如ZnS、CdSe等在传统掺杂中遇到的费米能级的钉扎效应;第三,表面电荷转移掺杂能避免掺杂原子的去激发效应造成的不利影响,使低维半导体纳米结构的掺杂事半功倍。

毫无疑问,这种表面电荷转移掺杂技术将为其它类似的“单极性”半导体材料的掺杂提供了有效的解决方案。