CuInS_2量子点与碳纳米点材料的制备及其光电性质研究

发布时间：2020-07-05 01:14

【摘要】：半导体量子点(QD)具有尺寸调谐的带隙、发光量子效率高和可溶液处理等性质,被广泛地应用于生物成像与传感、光催化、发光二极管和光伏等领域。经过科研人员不懈的努力,基于量子点的太阳能电池的功率转换效率可达5-8%。但是这些量子点中大多含有Cd或Pb等重金属元素,严重影响我们的生存环境和量子点器件的商品化应用。因此,有关低毒性纳米材料的研究引起了科研人员的广泛关注,如Cu In S2量子点和碳纳米点(CD)。作为半导体量子点家族的新成员,Cu In S2量子点因不含Cd和Pb等重金属元素、吸收系数大和具有与太阳光谱匹配的1.5 e V直接带隙等优点,适用于光伏领域。碳纳米点因具有好的稳定性、低毒性、抗光漂白和生物相容性等优点,有望替代有机染料和含重金属的半导体量子点在诸多领域的应用。然而,Cu In S2量子点以及碳纳米点作为新型绿色纳米材料,其光电性质尚不清晰,基于它们的光伏器件性能普遍低于基于含Cd或Pb量子点的器件性能指标。另外,碳纳米点存在严重的固态发光猝灭,严重地限制其在发光二极管领域的应用。因此,研究Cu In S2量子点和碳纳米点的光电性质,以及实现碳纳米点高效的固态发光,对于优化Cu In S2量子点和碳纳米点光电器件性能具有重要的意义。本论文主要研究了从Cu In S2核/壳量子点到Ti O2的电子转移过程,研究了无长链分子修饰、具有可见光区本征吸收的碳纳米点与Ti O2间的电子转移和电荷分离过程以及实现了碳纳米点高效的固态发光。获得了如下创新性的成果:1、利用高温热注入法制备了一系列不同核尺寸、壳层厚度的Cu In S2/Cd S和Cu In S2/Zn S核/壳量子点,通过时间分辨光谱研究了Cu In S2核/壳量子点到Ti O2的电子转移过程。将Cu In S2核/壳量子点吸附于Ti O2光电极上后,量子点的荧光寿命明显变短,说明发生了从Cu In S2核/壳量子点到Ti O2的电子转移过程。从Cu In S2/Cd S核/壳量子点到Ti O2的电子转移速率与效率要明显优于相同核尺寸、壳层厚度的Cu In S2/Zn S核/壳量子点,2.0 nm核、适当壳层厚度的Cu In S2/Cd S核/壳量子点到Ti O2的电子转移效率要高于相应Cu In S2裸核量子点。并通过实验与理论分析,合理地解释了量子点核壳间能带排布与表面缺陷对于Cu In S2核/壳量子点到Ti O2的电子转移过程的影响,为实现高效的Cu In S2量子点敏化太阳能电池提供了依据。2、以柠檬酸和尿素为原料,利用微波法和高温热解法分别制备了具有可见区(CDs-V)和紫外区(CDs-U)光吸收的碳纳米点。通过时间分辨光谱研究了无长链分子修饰、具有可见光区本征吸收的碳纳米点(CDs-V)到Ti O2的电子转移过程,发现CDs-V到Ti O2的电子转移速率与效率可达8.8×108 s-1和91%。CDs-V/Ti O2复合物在可见光下的光催化活性要明显地优于Ti O2和CDs-U/Ti O2复合物,表明在CDs-V/Ti O2复合物中可见光生电子与空穴能有效地分离。并制备了碳纳米点敏化太阳能电池,纯Ti O2太阳能电池在可见光区的IPCE值几乎为零,而CDs-V敏化的Ti O2太阳能电池的IPCE在可见光区得到明显增强,证明了CDs-V对Ti O2的敏化作用。通过对比CDs-V敏化Ti O2太阳能电池的IPCE曲线和CDs-V/Ti O2复合物的吸收光谱,发现CDs-V与Ti O2间在可见光下可以实现高效的电荷分离。3、以柠檬酸和尿素为原料,利用微波法和高温热解法分别制备了绿光(g-CDs)和蓝光(b-CDs)发射的碳纳米点,并提供了一种制备高效碳纳米点荧光粉的普适方法。将碳纳米点通过氢键吸附于生物制品淀粉颗粒表面,实现了碳纳米点高度的空间分散,有效地抑制了碳纳米点的无辐射复合过程和聚集引起的固态发光猝灭,使碳纳米点的无辐射复合速率由固体聚集态时的3.7×108 s-1降为0.43×108 s-1,辐射复合速率由0×107 s-1增加到4.25×107 s-1。并且淀粉基质既不与碳纳米点竞争吸收激发光,也不吸收碳纳米点的发光,获得了碳纳米点高效的固态发光。最终,得到了发光量子效率为50%的生物基碳纳米点荧光粉,并将该新型荧光粉应用于温度传感、发光二极管和发光图案的构建等领域。所制备的碳纳米点荧光粉发光二极管在经优化的50 m A电流下表现出CIE色坐标为(0.26,0.33)的冷白光发射。
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O471.1;TB383.1

【共引文献】