人工晶体学报

储冬冬, 杨志华, 潘世烈

2024, 53(9): 1475-1493.

摘要 ( 179 )

PDF (29480KB) ( 234 )

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非线性光学晶体是全固态激光器的核心器件,在信息技术、国防安全等方面具有广泛且重要的应用。随着高性能计算技术的发展,计算辅助实验的“自上而下”靶向设计逐渐成为非线性光学材料设计的重要组成部分。同时,基于高通量计算获取的大规模结构性能信息,进一步为数据挖掘、机器学习的算法训练提供了坚实的数据基础,促进了材料设计的第四范式的发展。本文从非线性光学晶体的计算材料设计入手,探讨了数据驱动的非线性光学理论设计的新范式,对本团队近年来在高通量筛选、晶体结构预测以及机器学习加速非线性光学材料设计等方向的研究进展进行了综述。

分子束外延设备国内外进展及展望

陈峰武, 吕文利, 龚欣, 薛勇, 巩小亮

2024, 53(9): 1494-1503.

摘要 ( 71 )

PDF (9847KB) ( 70 )

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分子束外延(MBE)设备具有超高真空、超高精度、超高均匀性薄膜沉积等特点,是化合物半导体材料、器件制造的核心工艺装备,被广泛用于固态微波射频器件、半导体激光器、探测器等外延薄膜制备。本文在简要介绍MBE设备及技术特点的基础上,首先详细阐述了Riber、Veeco、DCA等国际知名厂商的MBE设备发展历程及产品现状;接着对中国电科48所(CETC48)、沈阳科仪(SKY)、费勉仪器(FERMI)等国内代表性厂商的MBE设备国产化进展情况进行介绍;最后对MBE技术的未来发展趋势进行了展望,并指出当前MBE设备国产替代恰逢其时,需要抓住机遇,克服挑战,快速推进我国MBE设备的技术迭代和产业化应用,为我国科技自立自强提供重要支撑。

Nd∶GdYAG激光晶体的光谱分析及热学性能研究

窦仁勤, 刘耀, 罗建乔, 王小飞, 刘文鹏, 张庆礼

2024, 53(9): 1504-1511.

摘要 ( 81 )

PDF (2243KB) ( 82 )

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本文对所生长的Nd∶GdYAG晶体的吸收光谱和荧光光谱进行了测试,采用Judd-Ofelt理论对振子强度和线强、强度参数Ω_t、⁴F_3/2→⁴IJ能级间的跃迁概率、能级辐射寿命、荧光分支比等光谱参数进行了计算,相关数据与YAG、LuAG、YVO₄等晶体进行了对比。Ω_t计算得出Ω₂=(0.813±0.200)×10^-20 cm²,Ω₄=(3.381±0.187)×10^-20 cm²,Ω₆=(5.135±0.278)×10^-20 cm²,相比YAG、LuAG、YVO₄等晶体,Nd∶GdYAG晶体的强度参数Ω₂较大,表明Gd³⁺的掺入增大了基质的无序度。计算并拟合了300~1 200 nm的吸收截面和折射率,其中808 nm处的吸收截面为5.0×10^-20 cm², 1 064 nm处的折射率为1.80。实测⁴F_3/2能级的荧光寿命为228 μs,与计算的能级辐射寿命240 μs接近;1 064 nm处的发射截面为1.23×10^-19 cm²,接近Nd∶YAG晶体的发射截面。室温下Nd∶GdYAG晶体的热导率为5.992 W/(m·K),略小于Nd∶YAG和Nd∶GGG,但大于Nd∶YVO₄晶体。研究表明,Nd∶GdYAG是一种有应用前景的新型激光晶体材料。

基于紧凑型Nd∶YAG/PPMgLN模组的561 nm基模激光器

伍秋林, 冯新凯, 陈怀熹, 陈家颖, 马翠坪, 梁万国

2024, 53(9): 1512-1518.

摘要 ( 45 )

PDF (5862KB) ( 30 )

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本文提出了一种非线性晶体的切角方法,通过切去谐振腔中掺氧化镁周期极化铌酸锂(PPMgLN)晶体输出端面的一角,改变输出端面的激光模式分布,从而实现了稳定的561 nm黄光激光的基模输出。利用有限差分本征模法,仿真出各种切角方案输出端面的激光模式分布,讨论其输出基模的原理,并通过实验测出各方案输出功率随泵浦功率的变化曲线。结果表明,当抽运功率为4.8 W时,实现了最高121 mW的基模输出,光-光转换效率为2.6%,中心波长为560.95 nm,半峰全宽为0.92 nm,3 h内波动性小于1.91%。与已报道的实验结果对比,该实验结果具有更小的结构尺寸,为紧凑型基模激光器提供重要参考。

基于原位原子力显微镜的巴洛沙韦酯单晶溶解机制研究

王洪帅, 王蕾, 宋舒虹, 陶绪堂

2024, 53(9): 1519-1527.

摘要 ( 37 )

PDF (15763KB) ( 20 )

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本文使用原位原子力显微镜(in-situ AFM),在近分子尺度探究了抗流感药物巴洛沙韦酯晶型Form I晶体最大暴露晶面在水中的溶解行为。该晶体最大暴露晶面为(020)面,溶解前呈现出层状台阶和螺旋位错的微观形貌特征。原位原子力显微镜测试表明该晶面在水中主要以台阶后退溶解机制和蚀坑扩展溶解机制溶解。台阶后退溶解机制主要发生在留存有生长台阶的晶面处,通过层状台阶逐步后退推进溶解。蚀坑扩展溶解机制中,蚀坑具有规则蚀坑和倒螺旋位错型蚀坑两种形态。倒螺旋位错型蚀坑与螺旋位错处的缺陷溶解启动相关;规则四边形蚀坑则主要出现在较为平整光滑的完美晶面处,其原因在于该特征晶面仅能通过自发蚀坑成核来推进溶解过程。通过规则四边形蚀坑溶解机制溶解时,该晶面还存在溶解蚀坑临界尺寸现象,即只有超过一定尺寸的蚀坑才能推进溶解。

铝掺杂对硒化铟晶体结构与性能的影响

郑权, 刘学超, 王浩, 朱新峰, 潘秀红, 陈锟, 邓伟杰, 汤美波, 徐浩, 吴鸿辉, 金敏

2024, 53(9): 1528-1535.

摘要 ( 40 )

PDF (14761KB) ( 37 )

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硒化铟(InSe)是一种新型的窄禁带(1.3 eV)层状半导体,具有优异的塑性和电学性能,在新型电子和光电子器件中具有广泛应用前景。采用布里奇曼(Bridgman)法生长了未掺杂和铝掺杂的InSe晶体,通过能谱仪(EDS)和扫描电子显微镜(SEM)对制备材料的化学成分和表面形貌进行了表征。本文研究发现,铝掺杂可调节InSe晶体的塑性和光电性能。X射线衍射(XRD)分析表明晶体具有六方结构,结合拉曼光谱表征证实晶体结构为ε-InSe。纳米压痕测量表明,随着铝掺杂量的增加,InSe晶体的硬度和模量降低,材料的塑性提高。霍尔效应测量和光学吸收谱结果表明,铝掺杂可提升载流子浓度和禁带宽度。

电子辐照对4H-SiC MOS材料缺陷的影响

刘帅, 熊慧凡, 杨霞, 杨德仁, 皮孝东, 宋立辉

2024, 53(9): 1536-1541.

摘要 ( 60 )

PDF (3597KB) ( 33 )

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4H-SiC金属氧化物半导体(MOS)基器件在电子辐照环境下应用时可能产生新的材料缺陷,导致其电学性能发生退化。本文选取结构最简单的MOS基器件(4H-SiC MOS电容器)为对象,研究了一系列电子辐照剂量下材料缺陷的演变情况。在10 MeV电子束下对MOS样品进行30、50、100、500、1 000 kGy剂量的辐照,对辐照前、后样品进行深能级瞬态谱测试(DLTS)和电容-电压(C-V)曲线表征。DLTS实验结果表明,低剂量电子辐照前、后4H-SiC/SiO₂界面及近界面处的缺陷没有发生明显变化,而高剂量辐照导致双碳间隙原子缺陷的构型发生了改变,演变后的构型能级位置更深,化学结构更加稳定。C-V曲线测试结果发现,不同电子辐照剂量导致MOS电容器平带电压发生不同程度的负向漂移,这很可能是SiO₂氧化层中氧空位数量和4H-SiC/SiO₂界面及近界面处缺陷数量共同影响的结果。本文研究结果对研发和优化抗电子辐照的4H-SiC MOS制备工艺具有一定的参考价值。

PVT法AlN晶体生长模式调控研究

覃佐燕, 金雷, 李文良, 谭俊, 何广泽, 武红磊

2024, 53(9): 1542-1549.

摘要 ( 51 )

PDF (11089KB) ( 52 )

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物理气相传输(PVT)法制备AlN晶体时,亚晶的产生会降低晶体质量,甚至多晶化。本文通过调节热/动力学生长条件,研究AlN晶体中亚晶产生及变化规律,提出抑制方法调控生长模式。实验结果表明,大的温度波动导致晶体表面气相物质过饱和度波动变大,增加高指数晶面的形成概率,这些晶面因非一致性难以实现完美聚并。本文还研究了稳定温场条件下,气相物质输运对生长模式的影响。实验及模拟结果显示,传统坩埚内气相物质由晶体边缘向中心迁移,与台阶方向相反,晶体表面易演变成混合生长模式。通过设计的新型坩埚,实现气相物质顺台阶流方向迁移,满足层状可控生长的基本条件。在2 200~2 300 ℃下,随温度降低,晶体呈c轴优势生长,侧向扩展能力降低;随温度升高,侧向扩展能力变强,但晶体表面高指数晶面形成概率增加;温度约2 250 ℃时,两者达到平衡,适合亚晶的抑制和消除。结合BCF理论分析,降低过饱和度可增强螺旋位错驱动生长的二维平铺能力,并增大台阶宽度,有利于将亚晶界分散融入台阶流中。优化后的实验,促进了生长模式向螺旋位错驱动生长模式的转变,亚晶逐渐被湮灭,获得高质量AlN晶体,其(0002)面的X射线单晶摇摆曲线半峰全宽为58″,拉曼谱的E₂(High)半峰全宽为3.3 cm^-1,位错密度为2.87×10³ cm^-2。

CsBa₂ScB₈O₁₆:首例结构中同时含有零维[B₃O₆]基元和一维B—O链的稀土硼酸盐

焦思慧, 吴红萍, 俞洪伟

2024, 53(9): 1550-1559.

摘要 ( 30 )

PDF (8684KB) ( 21 )

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利用高温溶液法合成了首例结构中同时含有零维[B₃O₆]基元和一维B—O链的稀土硼酸盐晶体CsBa₂ScB₈O₁₆,该晶体属于三斜晶系,空间群为P1,晶胞参数为a=6.698 5 Å,b=7.216 Å,c=14.798 Å,α=97.563°,β=95.226°,γ=95.546°,Z=2。该晶体中的[BO₃]与[B₄O₉]基元通过共享氧原子连接形成一维[B₅O₁₀]_∞链,[Sc(1)O₆]八面体与一维[B₅O₁₀]_∞链通过共享氧原子形成二维[Sc(1)(B₄O₉)]_∞层,层间由[Sc(2)O₆]八面体连接形成Sc—B—O三维框架。孤立的[B₃O₆]基元与Cs⁺、Ba²⁺填充在三维孔道内维持电荷平衡。为了进一步探索CsBa₂ScB₈O₁₆结构的新颖性,将该晶体与其他含有碱金属或碱土金属的稀土硼酸进行比较,讨论了阳离子与硼的摩尔比(n(A)/n(B))对B—O基元的聚合度及B—O阴离子框架维度的影响。此外,对化合物进行了红外光谱、紫外-可见-近红外漫反射光谱,以及热学行为等表征测试,并基于第一性原理计算对化合物微观电子层面进行了计算分析。结果表明CsBa₂ScB₈O₁₆的紫外截止边小于190 nm,双折射为0.072@1 064 nm,其光学特性主要由[B₃O₆]基元、[B₅O₁₀]基元和[ScO₆]多面体贡献。

Dy³⁺/Eu³⁺双掺杂CaLaGa₃O₇颜色可调荧光粉的制备与发光性能

刘云云, 黄传鑫, 王猛, 王燕

2024, 53(9): 1560-1567.

摘要 ( 34 )

PDF (9594KB) ( 32 )

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本文采用高温固相法成功制备了一系列Eu³⁺单掺和Dy³⁺/Eu³⁺双掺CaLaGa₃O₇单基质荧光粉。通过X射线衍射和发射光谱对荧光粉的物相及发光性能进行了表征。结果表明,所制备的样品均为四方结构,与基质晶体一致,表明成功合成了Eu³⁺单掺和Dy³⁺/Eu³⁺双掺杂的CaLaGa₃O₇荧光粉。在波长393 nm近紫外光激发下,Eu³⁺∶CaLaGa₃O₇表现出Eu³⁺的特征红光发射(⁵D₀→⁷F₂),并且发光纯度高达100%。共掺Dy³⁺之后,Dy³⁺/Eu³⁺双掺CaLaGa₃O₇荧光粉不仅可以被波长393 nm的光激发还可以被波长348 nm的光激发。不管是哪个波长的光激发,Dy³⁺/Eu³⁺∶CaLaGa₃O₇发射光谱同时包含了Eu³⁺的特征红光发射和Dy³⁺的特征黄光发射(⁴F_9/2→⁶H_13/2)。通过对发射谱和荧光寿命分析得出,双掺荧光粉中Dy³⁺和Eu³⁺之间存在有效的能量传递过程。进一步计算了各个样品对应的色坐标,结果表明当激发波长由348 nm改变为393 nm时,色坐标整体上从黄绿色区域移动到黄橙光区域。因此,Dy³⁺/Eu³⁺∶CaLaGa₃O₇是一种光色可调发光材料,在显示和固态照明方面具有良好的应用前景。

植物补光用In³⁺掺杂Zn₃Ga₂Ge₂O₁₀∶Cr³⁺远红光发光材料的性能研究

白琼宇, 王春浩

2024, 53(9): 1568-1575.

摘要 ( 33 )

PDF (8641KB) ( 19 )

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采用高温固相法制备了Cr³⁺掺杂的远红光荧光粉,并通过引入In³⁺对Zn₃Ga₂Ge₂O₁₀∶Cr³⁺发光特性进行了调控。通过XRD对Zn₃(Ga_1-xIn_x)₂Ge₂O₁₀∶2%Cr³⁺(摩尔分数)的晶体结构进行了分析。利用室温荧光光谱和热释光光谱分析了Zn₃(Ga_1-xIn_x)₂Ge₂O₁₀∶2%Cr³⁺的发光特性,其发射光谱由⁴T₂(⁴F)→⁴A₂和²E→⁴A₂跃迁的705、721 nm两发光峰叠加而成。随着Zn₃(Ga_1-xIn_x)₂Ge₂O₁₀∶2%Cr³⁺中In³⁺掺杂浓度增加,材料发射光谱呈现展宽的现象,这是Cr³⁺所处晶体场环境的改变导致了晶体场劈裂程度的变化。光谱展宽后荧光材料的发光特性与植物中光敏色素吸收谱更加匹配,因此其有望应用于植物照明领域。此外,随着In³⁺掺杂浓度增加,荧光材料表现出红色长余辉现象,并且余辉时间与In³⁺掺杂浓度有关。

基于吡嗪羧酸配体的Zn(II)配合物的合成、晶体结构及荧光性能研究

吴苗, 宋娟, 周云龙, 任传清

2024, 53(9): 1576-1582.

摘要 ( 32 )

PDF (7395KB) ( 23 )

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在水热条件下,以2,6-双(2-吡嗪基)吡啶-4-对苯甲酸(Hbppc)为配体,ZnCl₂为金属源,成功合成了一例锌配合物[Zn₂(Hbppc)(bppc)Cl₃]·0.5H₂O。通过SXRD、PXRD、IR、FT-IR等方式对配合物进行了表征。X射线单晶衍射表明此配合物结晶属正交晶系Pbca空间群,双核零维结构,双核结构通过氢键进一步连接形成2D超分子网络结构。通过Crystal Explorer 21程序对该配合物进行了Hirshfeld表面分析。此外对配体及配合物进行了荧光分析,结果表明相比于自由配体,配合物的荧光显著增强。通过Gaussianview 5.0和Gaussian 09W计算了有机配体和配合物的前线分子轨道能量,探究了荧光增强的机理。

4,4′-联吡啶桥联的钴配位聚合物的合成、表征及量子化学计算

史燚威, 杨瑞杰, 张迎春, 王鑫, 王敏, 宋志国

2024, 53(9): 1583-1590.

摘要 ( 27 )

PDF (6430KB) ( 18 )

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本文通过溶剂热法以对甲基苯磺酸钠为主配体,4,4′-联吡啶为辅助配体制备了一种结构新颖的钴配位聚合物{[Co(4,4′-bipy)(H₂O)₄]·(p-CH₃C₆H₄SO₃)₂}_n。通过红外光谱、X射线单晶衍射、热重分析、X射线粉末衍射等方法对钴配位聚合物进行了表征。结果表明,{[Co(4,4′-bipy)(H₂O)₄]·(p-CH₃C₆H₄SO₃)₂}_n属于单斜晶系,P2₁/c空间群,晶胞参数为a=11.319 1(14) Å,b=8.062 6(11) Å,c=14.936(2) Å,α=90°,β=92.423(4)°,γ=90°,V=1 361.9(3) Å³,Z=2。中心金属Co(Ⅱ)离子为六配位略有畸变的八面体构型,通过4,4′-联吡啶中的N原子桥联形成一维无限链状,层间通过配位水分子与对甲基苯磺酸之间的氢键作用进一步扩展成三维超分子结构。并运用Gaussian 09程序对钴配位聚合物中[Co(4,4′-bipy)₂(H₂O)₄]·(p-CH₃C₆H₄SO₃)结构单元进行了量子化学计算,获得了优化构型。原子电荷分布及前沿占据轨道组成很好地佐证了晶体结构的配位环境。电化学阻抗测试结果证明该配位聚合物的电阻较小,导电性能良好,为其在电化学应用方面提供了一定的理论依据。

La³⁺取代的纳米尺寸砷钨氧簇的合成、晶体结构及光催化性质研究

杨玲, 苏斌斌, 王宏胜, 李金钊, 李叶盛, 陈睿

2024, 53(9): 1591-1598.

摘要 ( 38 )

PDF (4188KB) ( 17 )

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本文基于自组装原理,以Na₂WO₄·2H₂O、亚砷酸钠和LaCl₃·6H₂O为主要原料,采用一锅法将稀土金属La^Ⅲ与缺位结构的多钨氧簇构筑单元结合得到了一例新型稀土基砷钨氧簇合物,并借助单晶X射线衍射、X射线粉末衍射(PXRD)、傅里叶红外光谱(IR)等手段确认了其结构和组成。单晶X射线衍射结果表明:该配合物属于单斜晶系,C2/c空间群,晶胞参数为a=3.595 56(14) nm,b=1.222 48(4) nm,c=2.247 34(9) nm,β=117.117 0(10)°,V=8.792 3(6) nm³,Z=4,其分子式为[(CH₃)₂NH₂]₈H_3.56[{LaO(H₂O)₂}{WO(H₂O)}{W_0.24(H₂O)₂}{AsW₉O₃₃}₂]。在该化合物中,聚阴离子簇[{LaO(H₂O)₂}{WO(H₂O)}{W_0.24(H₂O)₂}{AsW₉O₃₃}₂]^11.56-具有三明治结构,可以看作是由两个{AsW₉O₃₃}单元夹心1个{LaO(H₂O)₂}片段、1个{WO(H₂O)}组分和1个{W_0.24(H₂O)₂}片段组成。本文进一步探究了该化合物对于罗丹明-B的催化降解性质,结果表明,在300 W的汞灯照射条件下,该化合物表现出了良好的光催化活性,降解效率为74%。

新型三维Ni(II)配合物的合成、晶体结构及对水中Fe³⁺、CrO^2-₄与Cr₂O^2-₇的检测

安航宜, 黄艳嬉, 王爱荣, 王晓丽, 李家明, 史忠丰

2024, 53(9): 1599-1607.

摘要 ( 32 )

PDF (12456KB) ( 14 )

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本文以3,5-吡啶二甲酸(简称3,5-H₂pdc)、1,4-双(1-咪唑基)苯(简称bib)及Ni(NO₃)₂为原料,通过溶剂热法合成出了一种新型Ni(II)配位聚合物[Ni(pdc)(bib)(H₂O)]_n(简称Ni-CP),并对其进行X射线单晶衍射、X射线粉末衍射、热重、红外光谱、荧光性能等分析研究。研究结果显示:Ni-CP属单斜晶系,空间群C2/c,其不对称单元包含1个Ni(II)、2个1/2的bib配体、1个完全去质子化的3,5-pdc^2-配体和1个配位水分子。中心Ni(II)采用六配位的方式形成NiO₃N₃的不规则八面体。bib配体和3,5-pdc^2-配体分别通过双齿配位模式μ₂-η¹∶η¹桥联和三齿配位模式μ₃-η¹∶η¹∶η¹桥联Ni(II)形成三维金属有机框架。从拓扑的角度来看,其二维框架结构可以简化为3-连接的Schläfli符号为(4·8²)拓扑结构。假如将3,5-pdc^2-配体和Ni(II)作为节点,bib配体视为连接器,三维结构可以简化为3,5-连接双节点的(4·6·8)(4·6²·8⁷)拓扑结构,孔隙率为17.4%。Ni-CP能够选择性检测出Fe³⁺、CrO^2-₄与Cr₂O^2-₇,其检测限分别为4.275×10^-5、2.681×10^-5和2.681×10^-5 mol/L,有较高的猝灭率。

MOCVD生长ZnO薄膜的气相寄生反应路径研究

吴蕊, 胡洋, 唐荣芬, 阳倩, 王序, 吴怡逸, 聂登攀, 王环江

2024, 53(9): 1608-1619.

摘要 ( 36 )

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本文利用量子化学的密度泛函理论(DFT),研究了金属有机化学气相沉积(MOCVD)生长ZnO薄膜过程中二乙基锌(DEZn)与叔丁醇(t-BuOH)体系的气相寄生反应机理。通过计算不同温度下反应路径的Gibbs自由能变化,从热力学角度详细分析关键中间产物(HOZnOBu^t、H(ZnO)₂Bu^t、HZnOH)的水解及二聚物(Zn₂O₂H₄、Zn₂O₄H₄、Zn₄O₄H₄)、三聚物(Zn₃O₆H₆)的形成,揭示不利于ZnO薄膜生长的纳米颗粒可能的形成路径和产物。研究发现在高温沉积条件下(673.15 K＜T＜713.15 K),DEZn热解后的中间产物H(ZnO)₂Bu^t容易与H₂O发生双分子碰撞直接生成有利于ZnO薄膜生长的(ZnOH)₂。但是这类中间产物同时会通过聚合消去反应形成二聚物和三聚物,这些聚合物是形成纳米颗粒的重要前体,其中由HOZnOBu^t聚合产生的聚合物(HOZnOBu^t)₂连续脱去C₄H₈,并最终形成Zn₂O₄H₄的反应最容易发生。因此,二聚物Zn₂O₄H₄是最有可能提供纳米颗粒的重要前体。

VI族元素修饰对二维AlN电子性质影响的第一性原理研究

莫秋燕, 欧满琳, 张颂, 荆涛, 吴家隐

2024, 53(9): 1620-1628.

摘要 ( 29 )

PDF (7327KB) ( 17 )

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采用密度泛函理论的第一性原理计算方法,研究了VI族元素(O、S、Se、Te)修饰对二维AlN电子性质的影响。计算结果表明,O修饰后,二维AlN体系的能带发生劈裂,从而转变为磁性材料;S、Se和Te修饰后,二维AlN电子态密度曲线自旋向上和自旋向下完全对称,形成了非磁性结构。从态密度图可以看出,费米能级附近的态密度主要由修饰原子的p态电子和N原子的p态电子贡献,导带底部逐渐向低能区移动,导致二维AlN的吸收波长阈值从紫外线区域向可见光移动。因此,修饰的二维AlN光催化效率提高,并有应用于可见光响应的光电子和自旋电子器件的可能。

二氧化锡基染料敏化太阳能电池电子传输模型优化及器件性能研究

程友良, 杜慧彬, 张忠宝, 王凯

2024, 53(9): 1629-1639.

摘要 ( 25 )

PDF (8679KB) ( 11 )

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针对染料敏化太阳能电池(DSSC)而言,其光阳极的材料特性与设计参数对DSSC性能具有显著影响。为了深入研究这一影响,本文采用数值模拟的方式,以探究光阳极结构变化对DSSC性能的详细影响。但目前的数学模型不够完善且预测精度较低,因而本文在光电子传输理论和朗伯比尔定律的基础上,采用常数堆叠法和可变堆叠法将孔隙率对电子扩散系数的影响引入到DSSC的数学模型中,建立了更加完善且精确的电子传输模型,该模型能够更深入剖析光阳极结构参数变化对DSSC性能的影响。通过数值模拟了在不同孔隙体积、电子寿命、SnO₂涂层厚度及比表面积下DSSC的性能。结果发现:随着SnO₂薄膜孔隙体积的增加,太阳能电池的短路电流密度逐渐减小,而开路电压则呈增大趋势,这导致光电转换效率逐渐降低。当孔隙体积达到0.10 cm³/g时,DSSC光电转换效率达5.16%,因此在保证电池刚性的前提下,尽量降低SnO₂的孔隙体积,有利于吸收系数和扩散系数的提升,这两个参数的提升有利于DSSC整体性能的提升,同时电子寿命的延长会带来太阳能电池短路电流密度和开路电压的增大,进而提升光电转换效率,当电子寿命达到200 ms时,光电转换效率达到5.82%。本研究通过详细的数值模拟分析,为优化光阳极结构从而提升DSSC的光电性能提供了有力的理论指导,有助于进一步推动DSSC的研究与应用。

富硫前驱体溶液对CuPbSbS₃太阳能电池光伏性能的影响研究

赵娅, 庄众, 魏梦园, 蒋青松, 杨潇, 荀威, 刘雨昊

2024, 53(9): 1640-1647.

摘要 ( 25 )

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CuPbSbS₃半导体材料因具有吸收系数高、禁带宽度适中等光电特性,在太阳能电池中具有广阔应用前景。本文采用丁基二硫代氨基甲酸(BDCA)溶液法,在管式炉退火过程中沉积CuPbSbS₃薄膜。通过调节BDCA溶液中二硫化碳的比例,实现CuPbSbS₃薄膜的可控沉积。通过扫描电子显微镜、X射线衍射仪等测试技术表征CuPbSbS₃薄膜的形貌和晶体结构,结果表明当乙醇、正丁胺、二硫化碳体积比为7.4∶9.6∶6时,所沉积的CuPbSbS₃薄膜结晶形态较好。此外,构建结构为FTO/SnO₂/CuPbSbS₃/Spiro-OMeTAD/Ag的太阳能电池,测试其莫特-肖特基曲线、奈奎斯特阻抗谱、暗电流密度-电压曲线以及对称器件在暗态下的电流-电压曲线,进一步研究CuPbSbS₃太阳能电池的界面电荷传输动力学。电学测试结果表明,所沉积的CuPbSbS₃薄膜内部的缺陷复合中心密度与电荷传输电阻降低,光生载流子的非辐射复合减少,载流子输运性能提高。相应的CuPbSbS₃太阳能电池实现了0.81%的光电转换效率,短路电流密度为9.08 mA·cm^-2,开路电压达到了250 mV。研究成果为高质量CuPbSbS₃薄膜沉积提供了实验基础。

腔体材料对氧化铜箔衬底上制备石墨烯的影响

沈曦, 史永贵, 万玉慧, 付影, 马嘉恒, 杨浩东, 王艺佳

2024, 53(9): 1648-1654.

摘要 ( 31 )

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传统的化学气相沉积法制备的石墨烯普遍存在晶畴面积小、晶界缺陷多的问题,严重制约了大面积石墨烯的性能及应用。本文采用低压化学气相沉积技术在受限生长腔中的氧化铜箔衬底上制备石墨烯,对比研究了石英和刚玉两种材质的受限生长腔中,不同甲烷流量和生长时间条件下氧化铜箔衬底上石墨烯的形核生长状况。结果表明,相同生长条件下,相较于石英受限生长腔,虽然刚玉受限生长腔中石墨烯的晶畴尺寸较小,但是氧化铜箔衬底表面沉积的杂质颗粒较少,因而石墨烯的形核密度较低,晶体质量较高,更有利于大尺寸、高质量石墨烯的制备。

引领行业创新！我国超大蓝宝石长晶研发捷报频传,晶盛机电1 000 kg 级蓝宝石闪耀登场！

石刚, 宋建军

2024, 53(9): 1655-1655.

摘要 ( 65 )

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