【摘要】：半導(dǎo)體量子點(diǎn)(QD)具有尺寸調(diào)諧的帶隙、發(fā)光量子效率高和可溶液處理等性質(zhì),被廣泛地應(yīng)用于生物成像與傳感、光催化、發(fā)光二極管和光伏等領(lǐng)域。經(jīng)過科研人員不懈的努力,基于量子點(diǎn)的太陽能電池的功率轉(zhuǎn)換效率可達(dá)5-8%。但是這些量子點(diǎn)中大多含有Cd或Pb等重金屬元素,嚴(yán)重影響我們的生存環(huán)境和量子點(diǎn)器件的商品化應(yīng)用。因此,有關(guān)低毒性納米材料的研究引起了科研人員的廣泛關(guān)注,如Cu In S2量子點(diǎn)和碳納米點(diǎn)(CD)。作為半導(dǎo)體量子點(diǎn)家族的新成員,Cu In S2量子點(diǎn)因不含Cd和Pb等重金屬元素、吸收系數(shù)大和具有與太陽光譜匹配的1.5 e V直接帶隙等優(yōu)點(diǎn),適用于光伏領(lǐng)域。碳納米點(diǎn)因具有好的穩(wěn)定性、低毒性、抗光漂白和生物相容性等優(yōu)點(diǎn),有望替代有機(jī)染料和含重金屬的半導(dǎo)體量子點(diǎn)在諸多領(lǐng)域的應(yīng)用。然而,Cu In S2量子點(diǎn)以及碳納米點(diǎn)作為新型綠色納米材料,其光電性質(zhì)尚不清晰,基于它們的光伏器件性能普遍低于基于含Cd或Pb量子點(diǎn)的器件性能指標(biāo)。另外,碳納米點(diǎn)存在嚴(yán)重的固態(tài)發(fā)光猝滅,嚴(yán)重地限制其在發(fā)光二極管領(lǐng)域的應(yīng)用。因此,研究Cu In S2量子點(diǎn)和碳納米點(diǎn)的光電性質(zhì),以及實(shí)現(xiàn)碳納米點(diǎn)高效的固態(tài)發(fā)光,對(duì)于優(yōu)化Cu In S2量子點(diǎn)和碳納米點(diǎn)光電器件性能具有重要的意義。本論文主要研究了從Cu In S2核/殼量子點(diǎn)到Ti O2的電子轉(zhuǎn)移過程,研究了無長(zhǎng)鏈分子修飾、具有可見光區(qū)本征吸收的碳納米點(diǎn)與Ti O2間的電子轉(zhuǎn)移和電荷分離過程以及實(shí)現(xiàn)了碳納米點(diǎn)高效的固態(tài)發(fā)光。獲得了如下創(chuàng)新性的成果:1、利用高溫?zé)嶙⑷敕ㄖ苽淞艘幌盗胁煌顺叽�、殼層厚度的Cu In S2/Cd S和Cu In S2/Zn S核/殼量子點(diǎn),通過時(shí)間分辨光譜研究了Cu In S2核/殼量子點(diǎn)到Ti O2的電子轉(zhuǎn)移過程。將Cu In S2核/殼量子點(diǎn)吸附于Ti O2光電極上后,量子點(diǎn)的熒光壽命明顯變短,說明發(fā)生了從Cu In S2核/殼量子點(diǎn)到Ti O2的電子轉(zhuǎn)移過程。從Cu In S2/Cd S核/殼量子點(diǎn)到Ti O2的電子轉(zhuǎn)移速率與效率要明顯優(yōu)于相同核尺寸、殼層厚度的Cu In S2/Zn S核/殼量子點(diǎn),2.0 nm核、適當(dāng)殼層厚度的Cu In S2/Cd S核/殼量子點(diǎn)到Ti O2的電子轉(zhuǎn)移效率要高于相應(yīng)Cu In S2裸核量子點(diǎn)。并通過實(shí)驗(yàn)與理論分析,合理地解釋了量子點(diǎn)核殼間能帶排布與表面缺陷對(duì)于Cu In S2核/殼量子點(diǎn)到Ti O2的電子轉(zhuǎn)移過程的影響,為實(shí)現(xiàn)高效的Cu In S2量子點(diǎn)敏化太陽能電池提供了依據(jù)。2、以檸檬酸和尿素為原料,利用微波法和高溫?zé)峤夥ǚ謩e制備了具有可見區(qū)(CDs-V)和紫外區(qū)(CDs-U)光吸收的碳納米點(diǎn)。通過時(shí)間分辨光譜研究了無長(zhǎng)鏈分子修飾、具有可見光區(qū)本征吸收的碳納米點(diǎn)(CDs-V)到Ti O2的電子轉(zhuǎn)移過程,發(fā)現(xiàn)CDs-V到Ti O2的電子轉(zhuǎn)移速率與效率可達(dá)8.8×108 s-1和91%。CDs-V/Ti O2復(fù)合物在可見光下的光催化活性要明顯地優(yōu)于Ti O2和CDs-U/Ti O2復(fù)合物,表明在CDs-V/Ti O2復(fù)合物中可見光生電子與空穴能有效地分離。并制備了碳納米點(diǎn)敏化太陽能電池,純Ti O2太陽能電池在可見光區(qū)的IPCE值幾乎為零,而CDs-V敏化的Ti O2太陽能電池的IPCE在可見光區(qū)得到明顯增強(qiáng),證明了CDs-V對(duì)Ti O2的敏化作用。通過對(duì)比CDs-V敏化Ti O2太陽能電池的IPCE曲線和CDs-V/Ti O2復(fù)合物的吸收光譜,發(fā)現(xiàn)CDs-V與Ti O2間在可見光下可以實(shí)現(xiàn)高效的電荷分離。3、以檸檬酸和尿素為原料,利用微波法和高溫?zé)峤夥ǚ謩e制備了綠光(g-CDs)和藍(lán)光(b-CDs)發(fā)射的碳納米點(diǎn),并提供了一種制備高效碳納米點(diǎn)熒光粉的普適方法。將碳納米點(diǎn)通過氫鍵吸附于生物制品淀粉顆粒表面,實(shí)現(xiàn)了碳納米點(diǎn)高度的空間分散,有效地抑制了碳納米點(diǎn)的無輻射復(fù)合過程和聚集引起的固態(tài)發(fā)光猝滅,使碳納米點(diǎn)的無輻射復(fù)合速率由固體聚集態(tài)時(shí)的3.7×108 s-1降為0.43×108 s-1,輻射復(fù)合速率由0×107 s-1增加到4.25×107 s-1。并且淀粉基質(zhì)既不與碳納米點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)吸收激發(fā)光,也不吸收碳納米點(diǎn)的發(fā)光,獲得了碳納米點(diǎn)高效的固態(tài)發(fā)光。最終,得到了發(fā)光量子效率為50%的生物基碳納米點(diǎn)熒光粉,并將該新型熒光粉應(yīng)用于溫度傳感、發(fā)光二極管和發(fā)光圖案的構(gòu)建等領(lǐng)域。所制備的碳納米點(diǎn)熒光粉發(fā)光二極管在經(jīng)優(yōu)化的50 m A電流下表現(xiàn)出CIE色坐標(biāo)為(0.26,0.33)的冷白光發(fā)射。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院研究生院(長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：O471.1;TB383.1

【共引文獻(xiàn)】

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1 王倩;張為歡;歐陽紹業(yè);楊斌;張約品;夏海平;;Dy~(3+)-Tb~(3+)摻雜氟氧碲酸鹽玻璃的光譜性能研究[J];光子學(xué)報(bào);2015年01期

本文編號(hào)：2741857