Cl掺杂对CuI薄膜发光性能增强研究

宽禁带γ-CuI是一种具有优异光电和热电性能的p型透明半导体材料,近年来受到广泛关注。但作为一种新兴材料,其发光性能受材料缺陷影响的物理机理尚不清楚。本工作通过气相反应法制备了Cl掺杂的CuI薄膜,采用电镜表征方法研究Cl掺杂对多晶CuI薄膜表面形貌和阴极荧光发光特性的影响,并结合第一性原理计算探究了Cl在CuI薄膜中的主要存在形式,以揭示Cl掺杂CuI薄膜结构与发光性能的联系。研究结果表明,原本晶粒饱满但晶界显著的CuI薄膜掺杂Cl后呈现出致密平整的表面,表明Cl掺杂剂改变了CuI的表面结构。相比未掺杂区域,Cl掺杂区410nm处的荧光信号明显得到双倍增强,而在720nm附近的缺陷峰则略有降低,说明Cl掺杂极大改善了CuI薄膜的发光性能。通过第一性原理计算对该现象进行理论分析,发现引入Cl元素有效抑制了CuI中碘空位等深能级缺陷的产生,降低了激子发生非辐射跃迁的概率,从而改善CuI的发光性能,这与阴极荧光的结果一致。本研究获得的掺杂CuI薄膜带边发光峰的半峰宽仅为7nm,表现出极高的发光单色性。这些发现有助于对卤素掺杂获得的高性能CuI基材料的理解。

相对较高Cl掺杂对Li4Ti5O12负极材料的电化学性能的影响

本研究通过固相法合成了少量Cl掺杂样品(Cl-LTO-1:80,1:80为LiCl与LTO质量比)和相对较高Cl掺杂样品(Cl-LTO-1:16)。X射线衍射(XRD)表明,掺杂Cl不会改变立方尖晶石钛酸锂的结构,并检测到Li2O的存在。使用循环伏安法(CV)、电化学阻抗谱(EIS)、倍率测试和充放电循环性能测试来表征其电化学性能。结果表明,所有掺杂样品的放电容量都有所提高。在所有样品中,Cl-LTO-1:16样品的放电容量在不同倍率下(0.2 C, 0.5 C, 1 C, 2 C)最高。在0.2 C倍率下,Cl-LTO-1:16样品的放电容量比原始Li4Ti5O12样品高出64%。高掺杂样品的显著改善可归因于Cl-LTO-1:16样品中铜箔和LTO电极材料之间的Li2O/CuO中间层,该中间层由铜箔表面自组装的少量CuO和固相法制备过程中产生的Li2O组成。

Cl掺杂对n-Cu2O的光电性能的影响

在酸性溶液中利用恒电位沉积法在导电玻璃(ITO)上沉积Cu_2O薄膜,并以KCl为添加剂对其进行掺杂,采用场发射扫描电子显微镜(FESEM)和X射线衍射谱(XRD)等手段研究了氯掺杂对Cu_2O表面形貌和晶体结构的影响。紫外-可见吸收光光谱确定得到的Cu_2O和Cl掺杂Cu_2O(Cu_2O-Cl)样品的禁带宽度分别为1.98和1.95eV。根据表面光电压谱和相位谱,掺杂前后的Cu_2O均为n型,Cu_2O-Cl有更强的表面光电压响应。场诱导表面光电压谱结果表明未掺杂Cl的Cu_2O在加负偏压时易形成反型层;氯离子的掺杂引入杂质能级可以提高n型导电性。光电化学性能测试发现,以Cu_2O、Cu_2O-Cl为光阳极组成的光化学太阳电池,在大气质量AM 1.5G、100mW/cm^2标准光强作用下光电转换效率分别为0.12%和0.51%。

Cl掺杂Cu_2O的第一性原理计算

为了探究Cl杂质对Cu_2O体系的影响机理,采用基于密度泛函理论的第一性原理,通过Cl原子代替O原子建立同等条件下不同浓度的Cu_2O1-xClx模型,并对Cu_2O的晶体结构进行优化,计算并分析体系的几何结构、能带结构、态密度和光学特性。计算结果表明:Cl掺杂导致Cu_2O的晶格常数变大,并在Cu_2O禁带中形成了一条主要由Cl 3p轨道组成的浅施主杂质能级。该能级跨越费米面,使电子可以经过杂质能级跃迁至导带,减少了电子跃迁所需要的能量,使Cu_2O呈现半金属性;随着掺杂浓度的增大,禁带宽度依次减小为0.444,0.424,0.221 eV,从而出现吸收带边的红移;不同浓度Cl掺杂下,Cu_2O对可见光的吸收能力得到极大改善。

Cl掺杂SnSe单晶制备和热电性能研究

采用布里奇曼法(Bridgman)制备了Cl掺杂的n型SnSe单晶热电材料,研究了Cl的掺杂量对SnSe1-xClx(x = 0, 0.02, 0.025, 0.03, 0.04)样品的热电性能的影响。结果表明,Cl的掺入可以实现SnSe单晶从p型到n型的转变。当x = 0.03时,SnSe0.97Cl0.03样品的电子浓度提高到5.1 ×1018 cm−3,样品表现出高的电导率和迁移率。在323 K温度下功率因子(PF)达到17.8 uWcm−1K−2。在323 K - 773 K温度范围内的平均ZT值达到0.72,为不掺杂SnSe单晶样品的3.8倍,表明Cl掺杂可以有效改善低温段n型SnSe单晶的热电性能。

磁控溅射Cl掺杂CdTe薄膜的孪晶结构与电学性质

CdTe用作薄膜太阳能电池吸收层需要经过氯处理才能得到高的光电转换效率,其中Cl原子的作用机理仍然没有完全被理解.实验发现Cl原子主要偏聚在CdTe晶界处,对晶界有钝化作用,而有第一性原理计算认为Cl原子掺入CdTe晶格能够引入浅能级提高光电转换效率.为了验证Cl原子掺杂是否对CdTe的光电转换效率有益,本文通过磁控溅射制备了100 ppm(ppm=1/1000000)Cl原子掺杂的CdTe(CdTe:Cl)薄膜并研究了薄膜的晶体结构与电学性质,同时对比了正常氯处理的无掺杂CdTe薄膜与CdTe:Cl薄膜之间的性质区别.实验发现Cl原子掺杂会在CdTe:Cl中形成大量仅由几个原子层构成的孪晶,电子和空穴在CdTe:Cl薄膜中没有分离的传导通道,而在氯处理后的CdTe薄膜中电子沿晶界传导,空穴沿晶粒内部传导.磁控溅射沉积的CdTe:Cl多晶薄膜属于高阻材料,退火前载流子迁移率很低,退火后载流子浓度降低到本征数量级,电阻率提高.CdTe:Cl薄膜电池效率远低于正常氯处理的无掺杂CdTe薄膜电池效率.磁控溅射制备的非平衡重掺杂CdTe:Cl多晶薄膜不适合用作薄膜太阳能电池的吸收层.

Cl离子掺杂对钙钛矿薄膜结构及光学性能的影响

有机-无机杂化钙钛矿光吸收层薄膜的结构、形貌及结晶度对电池的光电性能起决定性作用。采用一步溶液法通过改变CH_3NH_3I和PbCl_2的摩尔比调控钙钛矿前驱体溶液中Cl离子的掺杂量,从而制备钙钛矿光吸收层薄膜。利用荧光光谱(PL)、X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)及EDS能谱分别对钙钛矿溶液的荧光性能、薄膜的结构、表面形貌及反应后Cl离子的含量进行表征。结果表明,随着CH_3NH_3I和PbCl_2的摩尔比的增加,前驱体溶液的荧光强度逐渐减弱(激发波长为325 nm);晶体结构由立方相CH_3NH_3PbCl_3转换成了纯的四方相CH_3NH_3PbI_3钙钛矿薄膜,晶粒尺寸增大,晶格应变随之增加;表面覆盖率逐渐升高,薄膜表面无针状结构出现;薄膜中Cl离子的含量逐渐减少,改善了薄膜的质量。

聚噻吩掺杂性质的量子化学研究

采用密度泛函理论B3LYP方法,在6-31G基组水平下,对聚噻吩未掺杂体系及其掺杂体系进行了计算,根据几何、前线轨道和原子电荷的计算结果,分析了掺杂剂与聚噻吩链上极子异构区的作用.修正了以前研究工作中不考虑掺杂剂,而认为聚噻吩链上的电子得失是完全的这一缺欠.

分子模拟在废水光催化脱氮实验教学的应用

设计光催化脱氮实验,利用水热横向热剥离法制备Cl/S共掺杂的无金属氮化碳纳米管作为光催化剂(Cl/S-TCN),对催化剂进行表征分析。使用Materialstudio模拟软件,探究了催化材料的电子结构变化和光催化脱氮反应。与三聚氰胺直接煅烧获得氮化碳对比发现,Cl/S-TCN具有更大的比表面积和更强的光响应强度,提高了光催化脱氮性能。DFT计算表明,表面Cl和S掺杂剂优先吸附NO3-中的O原子,并通过O原子将光诱导e-传递给N原子,最终破坏N-O键。该实验旨在培养学生从分子角度分析无金属催化剂在可见光下驱动脱氮反应,加深学生对化学知识的理解,提高学生解决复杂工程问题的能力。

Ca_(10)(Si_2O_7)_3Cl_2∶Eu^(3+)荧光粉的发光特性研究

采用溶胶-凝胶法合成了Ca10(Si2O7)3Cl2∶Eu3+荧光粉,并研究了该荧光粉的微观结构及发光性能。结果显示:Eu3+掺杂Ca10(Si2O7)3Cl2荧光粉属于单斜晶系,颗粒呈现近球体和长方体形状,粒径介于400～500 nm。在395 nm近紫外光激发下,该荧光粉呈红色发射,并有5个分别位于582,594,615,654和705 nm的主发射峰,分别对应于Eu3+的5D0→7F0、7F1、7F2、7F3和7F4特征跃迁。该荧光粉的激发光谱覆盖了320～480 nm这段波长范围,主激发峰位于395 nm。另外,该荧光粉的发光强度随Eu3+掺杂量的提高而增强。

氯掺杂氧化亚铜的制备及光电性能

采用电化学沉积法在弱酸性溶液中制备n型氧化亚铜晶体,以氯化钠为添加剂实现氯掺杂。研究不同Cl-浓度对氧化亚铜表面形貌及晶体结构的影响,结果表明:氯掺杂可促进氧化亚铜晶体(111)面的生长,但浓度过高会导致铜单质的生成。利用自制的表面光电压测试仪研究了在外加电场作用下氯掺杂前后氧化亚铜晶体的光电压(SPS)谱和相位(PS)谱,结果表明:氯掺杂可以提高载流子浓度,克制反型层的产生,加强Cu_2O的n型导电性。

n型SnS热电材料的制备与性能研究

SnS由低毒、廉价、高丰度的元素组成,在热电研究领域受到广泛关注。采用机械合金化(MA)结合放电等离子烧结(SPS)工艺制备了n型SnS_(1-x)Cl_x(x=0,0.02,0.03,0.04,0.05,0.06)多晶块体热电样品,并研究了Cl^-掺杂量对SnS物相、微观结构以及电热输运性能的影响。结果表明:Cl^-的引入会提高电子浓度,使SnS由本征p型转变为n型半导体。随着Cl^-掺杂量的增加,n型SnS半导体室温下的霍尔载流子浓度从6.31×10^(14) cm^(-3)(x=0.03)增加到7.27×10^(15 )cm^(-3)(x=0.06)。x=0.05样品在823 K取得最大的电导率为408 S·m^(-1),同时具有较高的泽贝克系数为-553μV?K^(-1),使其获得最大功率因子为1.2μW·cm^(-1)·K^(-2)。Cl^-的掺入会引入点缺陷,散射声子,使晶格热导率κ_(lat)由0.67 W·m^(-1)·K^(-1)(x=0)降至0.5 W·m^(-1)·K^(-1)(x=0.02)。x=0.04样品在823 K获得了最大ZT为0.17,相比于x=0样品(ZT～0.1)提高了70%。

PbS/Cu_2O异质结的制备和性能表征

采用电化学沉积法在酸性电解液中制备n型Cu_2O薄膜,并对其进行Cl掺杂,制备Cu_2O-Cl结构。然后利用连续离子吸附法在样品薄膜上复合PbS量子点。通过SEM和UV-vis对样品进行表征,并对样品的光电化学性能进行了测试。结果表明,未掺杂的Cu_2O对PbS量子点的吸附能力较强一些,经PbS敏化后的样品在太阳光谱的吸收拓展到了近红外区,PbS/Cu_2O和PbS/Cu_2O-Cl复合结构的光电化学性能均有所增加,尤其是短路电流密度。PbS复合后的样品转换效率最高仅为0.67%,主要原因是两者能级的不匹配,形成异质结时引入界面态,得不到理想的转换效率。

聚噻吩吸收光谱性质的理论研究

用密度泛函理论B3LYP方法,在6-31G基组水平下,选用GAUSSIAN03程序,对聚噻吩未掺杂体系及其掺杂体系(包含6个噻吩环)进行了计算。引用极子和双极子模型并模拟以Cl作为具体P型掺杂剂,分析了未掺杂体系、极子掺杂体系、双极子掺杂体系的吸收光谱性质.对实验得出的吸收光谱性质进行理论解释,得出了与实验观察规律性一致的结果.初步探讨了形成双极子构型时两个掺杂剂原子与聚噻吩链接近的方式一掺杂剂离子应该是在聚噻吩链的同一侧来接近聚噻吩链的。

基于闪蒸法制备平面钙钛矿光伏器件

自2009年第一块基于钙钛矿材料的太阳能电池被制备出来,经过近10年的发展,目前钙钛矿太阳能电池的光电转换效率已经从最初的3.8%提升到超过22%,这使得越来越多的人关注到钙钛矿太阳能电池,它被认为是在未来可能取代硅基太阳能电池的新一代太阳能电池.影响钙钛矿光伏器件性能的关键因素是钙钛矿活性层的制备.在本工作中,使用实验室自制的真空闪蒸设备制备钙钛矿光伏器件,并对前驱液制备、抽气压强等参数进行研究,优化最佳真空闪蒸钙钛矿CH_3NH_3PbI_3层条件,优化后器件最高转换效率达到18.09%.同时尝试在前驱液中掺入CH_3NH_3Cl并制备柔性器件,通过改变掺杂比例进行优化后刚性器件和柔性器件的最高转换效率分别达到了18.69%和15.10%.本工作可以对钙钛矿膜层的制备起到指导作用,进而得到光电性能更好的钙钛矿光伏器件.