强度调制光电流谱/光电压谱及其应用

本文介绍了强度调制光电流谱/光电压谱(IMPS/IMVS)的基本原理和测试方法,综述了IMPS/IMVS在各个领域的研究进展,特别是在染料敏化太阳电池和半导体电极中电子传输动力学研究方面的应用,评述了研究过程中的问题和存在的争议,并对IMPS/IMVS的未来应用进行了展望。

强度调制光电流谱研究TiO_2悬浮体系光催化机理

用强度调制光电流谱在光电化学电池中研究TiO2粒子悬浮液体系中的光催化反应机理,将强度按正弦变化的调制光照射TiO2粒子悬浮液,产生随频率变化的光电流响应,收集在Pt电极上,得到了光电流响应复数平面图,其上半圆和下半圆分别代表光生空穴和光生电子的阴极还原和阳极氧化反应过程.根据阴极和阳极光电流的幅度及上下半圆的特征频率分析讨论了光催化反应的机理及外加电压和H2O2添加物的影响.

强度调制光电流谱研究纳晶薄膜电极过程

用强度调制光电流谱研究半导体纳晶薄膜电极光生电荷的界面转移和输运动力学过程．从测量不同外加电压和不同硫化钠溶液浓度下ＣｄＳｅ纳晶薄膜电极的光电流响应得到了参数：归一化稳态光电流和表面态寿命，分析界面空穴的直接转移和通过表面态的间接转移过程．通过测量不同背景光强下ＴｉＯ２纳晶薄膜电极的电子扩散系数研究电子输运过程．应用ＨＣｌ化学处理方法明显增大了电子扩散系数，改善了电子在ＴｉＯ２纳晶薄膜电极中的输运性能．

利用强度调制光电流谱研究TiO2薄膜中染料不均匀分布现象

利用强度调制光电流谱(IMPS)研究了不同微结构的TiO2薄膜在不同的浸泡时间条件下的染料分布情况,分析了染料分布对染料敏化太阳电池光伏性能的影响.研究结果表明,TiO2薄膜中确实存在染料的不均匀分布现象,染料不均匀分布对太阳电池的光伏性能有显著的影响.

Y波导温致半波电压特性对谐振式光纤陀螺的影响

针对基于宽谱光源的谐振式光纤陀螺(resonant fiber optic gyroscope, RFOG)中Y波导调制器半波电压的温度影响,开展了Y波导温致半波电压特性对谐振式光纤陀螺影响的研究。建立了Y波导温致半波电压特性对基于宽谱光源的谐振式光纤陀螺系统标度因素的影响规律模型,模型表明:Y波导调制器的温致半波电压特性会导致基于宽谱光源的谐振式光纤陀螺系统的标度因素发生变化。搭建了用于宽谱光源的Y波导调制器半波电压测试系统,系统测试精度达1 mV。实验测试了全温范围内Y波导的温致半波电压特性在基于宽谱光源的谐振式光纤陀螺系统中的影响,测试结果表明:Y波导调制器的半波电压与温度呈线性负相关;Y波导调制器的温致半波电压特性导致基于宽谱光源的谐振式光纤陀螺系统的标度因素的最大相对变化误差为1 266.01×10^(-6)。

氮气大气压介质阻挡放电发射光谱诊断

用发射光谱法对氮气大气压介质阻挡放电等离子体进行了诊断,测出了N2(C3Пu-B3Пg)的337.1nm谱线强度随气体流量、电极间距、放电电压以及放电频率的变化规律.发现光强在气体流量为300mL/min或电极间距为1.5mm时有一个最大值;光强随放电电压及频率的增加而增强,但放电频率或电压增加到某一值时,光强的增强产生了突变,这时放电从丝状介质阻挡放电转变成准辉光介质阻挡放电;测得了放电电压电流波形、电压-电荷李萨如图形、时间分辨的发射光谱,发现丝状介质阻挡放电的微放电通道是随机分布独立存在的,相互不受影响;而准辉光介质阻挡放电的微放电通道之间产生叠加,并相互影响.

基于硅基石墨烯的全光控太赫兹波强度调制系统研究

在太赫兹通信等系统中需要利用太赫兹波调制器对信号进行调制。基于Ga As等传统半导体材料设计和制作的调制器在太赫兹波段的响应过低,因而很难应用于太赫兹系统。为了弥补传统调制技术在带宽和调制深度不够的缺点,设计了一种全新的基于硅基石墨烯的全光控太赫兹强度调制系统。该调制系统利用材料中光生载流子对太赫兹波的吸收特性,通过调节照射到材料上的可见光光强来改变光生载流子浓度,从而实现对太赫兹波强度调制。从理论和实验两方面对这种新型太赫兹强度调制系统的调制深度和调制带宽进行了研究。研究结果表明,在泵浦光功率密度为18 m W/mm2时,该调制系统能在实验使用的THz-TDS测试系统（0.1~2.5 THz）的整个频谱范围内进行有效的调制,调制深度可达到12%。且随着泵浦光能量的增大,调制深度增大。

Y分支光学调制器的半波电压特性研究

为了研究光纤陀螺中Y分支光学调制器半波电压与工作波长和温度的关系,研制了带波长和温度记录功能的半波电压测试系统。采用一种基于4台阶波调制的半波电压测试法,测试了该系统的半波电压、波长和温度的相关性。结果表明:半波电压与波长呈二次多项式关系,与温度呈线性关系;在宽谱光作用下,对于参数确定的Y波导,其半波电压主要由宽谱光的谱型和实际工作温度决定,不同宽谱光作用下的同一Y波导半波电压的温度相关系数相等;在常温下测得的Y波导半波电压测量精度满足1 mV的需求。

磷酸钴修饰Cu_(3)V_(2)O_(8)/ZnO光阳极的动力学特性及光电化学水分解研究

钒酸铜是一种新兴的应用前景广阔的光阳极材料.本工作首先制备了不同厚度的Cu_(3)V_(2)O_(8)光电极,通过强度调制光电流谱、电化学阻抗谱等手段深入探究了影响Cu_(3)V_(2)O_(8)光电性能的关键因素在于光生载流子扩散距离短造成的载流子体相复合严重以及缓慢的氧化动力学造成的表面复合严重.为解决该问题,本工作提出了将一维ZnO纳米棒阵列作为支撑骨架以及负载CoPi助催化剂的策略.一维ZnO纳米棒阵列可作为电子快速传输通道促进光生载流子的体相分离,CoPi助催化剂可提高光生载流子表面分离效率提升氧化动力学.

Yb_2O_3纳米晶光伏性质的研究

利用紫外一可见反射吸收光谱对不同粒径Yb_2O_3纳米晶进行了光吸收特性的研究,对其在300nm～500nm的宽带吸收指认为02p→Yb4 f电荷转移跃迁。利用表面光电压谱和场调制表面光电压谱技术对不同粒径Yb_2O_3纳米晶进行了光伏特性及界面电子行为的研究。

脉冲调制型大气压低温氩等离子体射流研究

利用脉冲调制正弦高压驱动在大气环境中产生了稳定的Ar等离子体射流,并研究了外加电压及脉冲调制对射流的影响。研究结果表明：实验中产生的Ar等离子体射流是一种多脉冲放电,并且在电压的正半周期和负半周期放电大致相当,无明显不同。在无脉冲调制时,外加电压直接影响射流的长度和射流中主要粒子的强度;而增加调制脉冲,射流的长度基本保持不变,但是射流中主要粒子的强度却随着调制占空比的增加线性增强;随着调制频率的增加先增强,到达一定值后再减弱,并且在调制频率从30~500 Hz的变化过程中,粒子强度仍呈现出线性调制特性。因此,调制脉冲可在射流长度保持不变的情况下,线性调控射流中的活性粒子数,为等离子体射流的可控应用提供了一定的研究发展空间。

染料敏化太阳能电池的电子传输和复合特性研究

采用丝网印刷方法在透明导电玻璃上制备了不同厚度的TiO2纳米颗粒多孔薄膜光阳极,并与Pt对电极和I-/I3-电解液组装成染料敏化太阳能电池.通过电池的I-V特性、强度调制光电流谱、强度调制光电压谱和电化学阻抗谱分析,获得了电池的光伏性能和反映电子传输、复合和收集的动力学参数。结果表明:随着TiO2光阳极厚度从5μm逐渐增加到14μm,电池的光电转换效率从4.67%逐渐增加到8.21%,光生电子在光阳极中的传输时间从2.74 ms逐渐增加到7.84 ms,电子扩散系数从3.88×10-5cm2.s-1增加到1.10×10-4cm2.s-1,电荷收集效率逐渐减小,结合这些参数,分析了染料敏化电池中电子传输、复合和收集的动力学过程。

CdS量子点敏化TiO_2纳米线束阵列太阳能电池的研究

采用水热合成技术,以盐酸、去离子水和酞酸丁酯为反应前驱物,在透明导电玻璃衬底(FTO)上生长TiO2纳米线束阵列,以化学浴沉积技术制备CdS量子点敏化TiO2纳米线束阵列光阳极。研究了CdS量子点敏化的循环周期对太阳能电池的光伏性能、单色光光子-电子转换效率、静态和动态光电流的特性的影响规律。结果表明:CdS量子点的大小和密度随着敏化循环周期的增加而增加,当敏化循环的周期为15次时,单色光光子-电子转换效率最高,电池的短路电流密度为0.61 mA/cm2,开路电压为0.65 V,填充因子为0.50,光电转换效率为0.20%。通过强度调制的光电流谱分析,得到光生电子在光阳极中的扩散系数为3.2×10-6cm2/s,传输时间为2.1×10-2s。

CdS量子点敏化TiO_2纳米颗粒多孔薄膜太阳能电池性能研究

以CdS量子点敏化TiO2纳米颗粒多孔薄膜为光阳极,与多硫电解液和Pt对电极组装太阳能电池,研究了光阳极厚度和敏化周期对光伏性能的影响。结果表明,TiO2纳米颗粒多孔薄膜的最佳厚度为14μm,最佳CdS量子点敏化周期为20,由此得到的太阳能电池的短路电流密度J sc、光电转换效率η和量子效率分别为4.51 mA/cm2、0.76%和69%。在光阳极中采用TiO2纳米颗粒/TiO2纳米线多孔薄膜双层工作电极,TiO2纳米线散射层增加了对入射光的利用率,使电池在可见光波段的量子效率增加,从而使电池的短路电流密度J sc和光电转换效率分别比原来提高了11.6%和10.5%。

染料敏化太阳电池中TiO_2膜内电子传输和背反应特性研究

采用强度调制光电流谱(IMPS)和强度调制光电压谱(IMVS)研究电池内部电子传输机理和电子背反应动力学特性.利用理论表达式对不同TiO2多孔膜厚度(d)的电池实验数据进行了拟合,得到了电池的吸收系数(α)、电子扩散系数(Dn)、电子寿命(τn)、电子传输时间(τd)和入射单色光光电转化效率(IPCE)等微观参数的数值.研究表明:膜薄有利于加快电子传输,膜厚有利于提高光生电子浓度,进而从微观层面上研究了薄膜厚度对于电池内部电子产生、传输和复合过程的影响.

电沉积表面修饰对染料敏化太阳电池微观性能影响机理研究

为了改善染料敏化太阳电池内电子的传输复合过程,研究者尝试不同方法制备或改性TiO2薄膜.对TiO2薄膜进行后处理,在其表面引入一层小颗粒层,是一种有效的方法并被广泛研究.通过对TiO2薄膜不同时间的电沉积表面修饰,细致研究了表面修饰后染料敏化太阳电池微观性能的变化机制.采用阳极氧化法在TiCl3水溶液中对TiO2薄膜进行电沉积后处理,将溶液pH值调至2.2,装置的反应速率由恒电位仪控制.不同沉积时间电池带边移动以及电子传输复合的动力学过程,借助强度调制光电流谱(IMPS)/强度调制光电压谱(IMVS)和电化学阻抗谱(EIS)等探测技术表征.研究表明,电沉积在TiO2薄膜表面引入了大量浅能级陷阱态,以致电势较高时电容随沉积时间延长增加明显.不同时间的电沉积表面修饰在TiO2薄膜表面形成了新的小颗粒层并改善了TiO2颗粒间接触,在改善电子注入及收集过程的同时,也有效抑制了内部电子复合.IMPS/IMVS结果表明,电沉积对动力学过程改善的效果受光强影响明显,弱光下作用更为突出.此外,电池开路电压主要受带边移动及内部复合变化影响,随沉积时间延长,表面电荷的增多使TiO2薄膜带边逐渐正移,有效改善了光电流却限制了开路电压的提升.在适合的电沉积时间下,电沉积表面修饰可以同时改善光电流和光电压.

电极表面改性对染料敏化太阳电池性能影响的机理研究

采用强度调制光电流谱(IMPS)和强度调制光电压谱(IMVS)技术,从染料敏化太阳电池(DSC)电子传输和复合角度对比了不同光强下导电玻璃表面阻挡层及TiO2薄膜优化使电池性能改善的内在原因.阻挡层的引入和TiO2薄膜的优化均通过电沉积法实现.结果表明,对多孔薄膜电极的不同改性均提高了电池的短路电流Jsc和效率η,但对电子传输和复合过程的作用机理有所不同:前者延长了电子寿命τn,但电子传输时间τd变化不明显;而后者则主要是延长τn的同时也缩短了τd.