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低维硫化物半导体的光生载流子动力学调控及其太阳能转换应用研究

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低维硫化物半导体的光生载流子动力学调控及其太阳能转换应用研究

作者：吕罡阳杭州电子科技大学

学位级别：硕士

日益严重的能源危机以及环境污染问题已经引起了全球广泛的关注,因此,迫切需要寻找一种新能源逐步取代化石燃料的使用。太阳能作为一种清洁能源,储量丰富,是代替化石能源的不二之选,因此,高效开发和利用太阳能极具研究价值。金属硫化物... 详细信息

日益严重的能源危机以及环境污染问题已经引起了全球广泛的关注,因此,迫切需要寻找一种新能源逐步取代化石燃料的使用。太阳能作为一种清洁能源,储量丰富,是代替化石能源的不二之选,因此,高效开发和利用太阳能极具研究价值。金属硫化物半导体凭借其自身独特的物理化学特性,在太阳能转换领域具有极高的应用价值。更窄的带隙带来了更加优异的光吸收特性,提升了对太阳光可见波段的利用率;独特的微观形貌以及合适的能带结构有利于光生载流子在半导体表面驱动氧化还原反应。然而,光生载流子分离效率较低、表界面处反应动力学缓慢、稳定性差等因素依然限制了硫化物的广泛应用。本文以CdS、ZnInS两种具有优异光激发效率的金属硫化物作为研究对象,聚焦其在太阳能转换领域的应用,研究了通过微结构调控,实现这两种半导体光电学特性的调控、光生载流子动力学的优化,从而提升太阳能转换效率的技术手段和作用机制。主要研究内容包含以下两部分:(1)通过对微观形貌的优化和能带匹配的设计,在具有超薄二维(2D)形貌的CdS纳米片上引入了α-FeO纳米片,构筑了具有充分界面接触的2D/2D异质结。该2D/2D异质结的异质结太阳能驱动CO转换的效率远高于单一的CdS和α-FeO。实验证明该异质结具有充分的界面电子学耦合,并形成了由CdS指向α-FeO的内建电场,从而在异质结界面实现了高效的直接Z型电荷转移路径,提升了光生载流子的分离效率,延长了光电子的寿命。2D CdS与2Dα-FeO之间显著的功函数差值、较大的异质结界面接触面积与极短的载流子扩散路径显著提升了内建电场的形成及其在驱动Z型电荷转移中的作用。该研究为Z型异质结的构筑及其界面电子学机制提供了深入的理解,有效推动了其在太阳能转换领域的应用。(2)通过改进的原位生长法,设计构筑了具有垂直排列的2D纳米片阵列结构的ZnInS(ZIS)光阳极,使其具有极高的比表面积和显著的2D形貌结构,促进了光生载流子在与电解质接触界面处的分离和输运。通过调节前驱体溶液中乙醇的比例,同步实现了从六方相ZIS(H-ZIS)到菱形相ZIS(R-ZIS)的可控相变,以及晶面演化,从而成功构建了具有更显著2D形貌特征的两相共存同质结(H@R-ZIS)。深入的表征和分析表明,H@R-ZIS的构建不仅整合了R-ZIS优越的表面电化学活性和更宽的光吸收范围两种特性,更重要的是通过两相之间的Ⅱ型界面电荷转移路径实现了光生载流子的高效实空间分离。2D H@R-ZIS光阳极表现出优异的PEC转换效率,IPCE达到40%,ABPE在0.36 V时达到最高,为2.65%,几乎是目前报道的层状金属硫化物光阳极中最高的。该研究为通过晶相及晶面调控实现半导体太阳能转换效率的提升提供了微结构设计策略和光电子学优化机制。

关键词：金属硫化物太阳能转换 PEC光阳极 Z型异质结同质结

Ti3C2Tx MXene助力太阳能高效转换

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Ti3C2Tx MXene助力太阳能高效转换

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第九届新型太阳能材料科学与技术学术研讨会

作者：仲鹏聂俊丽王艺锦郑欢欢杨华瑛西安电子科技大学先进材料与纳米科技学院

近年来,二维新材料TiCT MXene因其具有导电性优异、电子结构可调、溶液加工、机械柔性好、活性位点丰富、绿色环保等优点,在储能电池、生物医学、电子器件等领域吸引了众多关注。而在太阳能转换方面,目前对这种新材料还缺乏系统研究和... 详细信息

近年来,二维新材料TiCT MXene因其具有导电性优异、电子结构可调、溶液加工、机械柔性好、活性位点丰富、绿色环保等优点,在储能电池、生物医学、电子器件等领域吸引了众多关注。而在太阳能转换方面,目前对这种新材料还缺乏系统研究和深入理解。本课题组制备了TiCT纳米片、TiCT量子点两种结构,将其应用于太阳能光电、光热、光化学能量转换三个方面,实现器件/系统转换效率的显著提升。光电方面:制备了TiCT透明电极,透光率和方阻分别达81%和197Ωsqr,有望成为新型光伏电池下一代基材;将TiCT作为电荷传输层/界面层,将钙钛矿太阳电池效率从17.44%提高至21.63%,且器件稳定性也有显著增强;构筑了TiCTCsPbBr纳米异质结,光伏型光电探测器的上升/衰减时间、开关比、探测率分别为80.2μs/72.7μs、2.46×10、8.1×10 Jones,明显优于纯CsPbBr器件。光热方面:基于TiCT纳米片制备了两种新型滤膜,利用光热转换界面蒸发原理,用于太阳能海水淡化/污水净化方面,蒸发速率和蒸发效率分别高达1.457 kgmh和91.48%,对有机染料、盐离子、重金属离子的去除率分别为100%、99.8%和99.9%,并搭建了实验室小型系统。光化学方面:合成了TiO@TiCT纳米片/g-CN、BiOI/g-CN/TiCT量子点两种三相异质结光催化剂,实现空气污染物氮氧化物的高效、稳定、选择性去除,NO去除率达46.92%。未来通过进一步微观结构设计、性质调控、器件/系统测试及性能优化等工作,这种TiCT MXene新材料有望在太阳能高效转换方面发挥更重要作用!

关键词： Ti3C2Tx MXene 太阳电池海水淡化光催化太阳能转换

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Ti3C2Tx MXene助力太阳能高效转换

第二届全国太阳能电池材料与器件大会

作者：聂俊丽王艺锦郑欢欢杨华瑛仲鹏西安电子科技大学先进材料与纳米科技学院

近年来,二维新材料Ti3C2Tx MXene因其具有导电性优异、电子结构可调、溶液加工、机械柔性好、活性位点丰富、绿色环保等优点,在储能电池、生物医学、电子器件等领域吸引了众多关注。而在太阳能转换方面,目前对这种新材料还缺乏系统研究... 详细信息

近年来,二维新材料Ti3C2Tx MXene因其具有导电性优异、电子结构可调、溶液加工、机械柔性好、活性位点丰富、绿色环保等优点,在储能电池、生物医学、电子器件等领域吸引了众多关注。而在太阳能转换方面,目前对这种新材料还缺乏系统研究和深入理解。本课题组制备了Ti3C2Tx纳米片、Ti3C2Tx量子点两种结构,将其应用于太阳能光电、光热、光化学能量转换三个方面,实现器件/系统转换效率的显著提升。光电方面:制备了Ti3C2Tx透明电极,透光率和方阻分别达81%和197Ωsqr-1,有望成为新型光伏电池下一代基材;将Ti3C2Tx作为电荷传输层/界面层,将钙钛矿太阳电池效率从17.44%提高至21.63%,且器件稳定性也有显著增强;构筑了Ti3C2Tx-CsPbBr3纳米异质结,光伏型光电探测器的上升/衰减时间、开关比、探测率分别为80.2μs/72.7μs、2.46×103、8.1×109 Jones,明显优于纯CsPbBr3器件。光热方面:基于Ti3C2Tx纳米片制备了两种新型滤膜,利用光热转换界面蒸发原理,用于太阳能海水淡化/污水净化方面,蒸发速率和蒸发效率分别高达1.457 kgm-2h-1和91.48%,对有机染料、盐离子、重金属离子的去除率分别为100%、99.8%和99.9%,并搭建了实验室小型系统。光化学方面:合成了TiO2@Ti3C2Tx纳米片/g-C3N4、BiOI/g-C3N4/Ti3C2Tx量子点两种三相异质结光催化剂,实现空气污染物氮氧化物的高效、稳定、选择性去除,NO去除率达46.92%。未来通过进一步微观结构设计、性质调控、器件/系统测试及性能优化等工作,这种Ti3C2TxMXene新材料有望在太阳能高效转换方面发挥更重要作用!

关键词： Ti3C2Tx MXene 太阳电池海水淡化光催化太阳能转换

来源： cnki会议评论

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太阳能转换

西藏科技 2004年第6期 65-65页

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高效太阳能转换的材料创新

光学与光电技术 2021年第5期19卷 1-8页

作者：杨世和北京大学深圳研究生院广东深圳518071

多尺度材料的装配和集成对新一代太阳能电池器件的运行至关重要,需要基础科学的设计和阐述。关键是要了解和利用定制材料的内在特性,以及材料组件之间的相互作用,从而实现所需要的功能。主要介绍了通过溶液过程连接和组装各种纳米结构... 详细信息

多尺度材料的装配和集成对新一代太阳能电池器件的运行至关重要,需要基础科学的设计和阐述。关键是要了解和利用定制材料的内在特性,以及材料组件之间的相互作用,从而实现所需要的功能。主要介绍了通过溶液过程连接和组装各种纳米结构方面的最新成果。这些材料已经被用作高效太阳能转换装置的高效光吸收层、载流子传输层、界面层和表面反应促进剂,特别是在钙钛矿太阳能电池和光电化学电池中。并讨论了这些结果对新型太阳能装置的未来发展的影响。

关键词：多尺度材料溶液过程高效太阳能转换

我省太阳能转换与储能工程技术创新平台成果显现 007

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太阳能飞行器能源系统中GaN变换器优化研究

福建日报

作者：李珂

本报讯（记者李珂）记者从省科技厅获悉，由中央引导地方科技发展专项资金支持我省建设的太阳能转换与储能工程技术创新平台，以太阳能光电材料/器件、储能材料/器件和智能能源管理为核心，开展创新性研究和工程化应用，已建设了太阳... 详细信息

本报讯（记者李珂）记者从省科技厅获悉，由中央引导地方科技发展专项资金支持我省建设的太阳能转换与储能工程技术创新平台，以太阳能光电材料/器件、储能材料/器件和智能能源管理为核心，开展创新性研究和工程化应用，已建设了太阳能光伏工程中试研究中心、锂离子电池工程中

关键词：技术创新平台太阳能转换

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太阳能学报 2023年第10期44卷 173-181页

作者：赵方玮李艳殷子钧李尧北京交通大学电气工程学院北京100044

为实现太阳能飞行器能源系统的高效率和高功率密度,采用基于氮化镓(GaN)器件的四开关升降压(FSBB)变换器。首先提出一种变移相角控制策略,该控制策略可根据不同的输入电压范围,通过改变移相角来使电感电流纹波始终维持在此时工况下的最... 详细信息

为实现太阳能飞行器能源系统的高效率和高功率密度,采用基于氮化镓(GaN)器件的四开关升降压(FSBB)变换器。首先提出一种变移相角控制策略,该控制策略可根据不同的输入电压范围,通过改变移相角来使电感电流纹波始终维持在此时工况下的最小值,同时保证电感以最小电流进行环流并兼顾软开关技术,进一步提高变换器的工作效率。然后对所提控制策略下的变换器进行建模,分析其稳定性,并通过对控制参数进行整定,完成变换器补偿网络的环路设计。最后搭建一台输入30~60 V,输出45 V/200 W的GaN FSBB变换器实验样机,验证变移相角控制策略的有效性。

关键词：太阳能飞行器氮化镓太阳能转换 DC-DC变换器电感电流纹波控制策略

新型光敏纳米粒子可获得光电性能提高太阳能转换效率

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功能材料信息 2014年第3期11卷 54-55页

加拿大研究人员设计并测试了一种新型固态、稳定的光敏纳米粒子胶体量子点技术,该技术或将用于开发更为廉价、柔性的太阳能电池及更好的气体感应器、红外激光器、红外发光二极管。此项研究成果发表在最新一期《自然·材料》上。胶体量... 详细信息

加拿大研究人员设计并测试了一种新型固态、稳定的光敏纳米粒子胶体量子点技术,该技术或将用于开发更为廉价、柔性的太阳能电池及更好的气体感应器、红外激光器、红外发光二极管。此项研究成果发表在最新一期《自然·材料》上。胶体量子点基于两种类型的半导体收集阳光：N型（富电子）和P型（乏电子）。但N型半导体材料暴露于空气中时,会与氧原子结合,失去其电子,转变成P型材料。

关键词：量子点技术太阳能转换红外发光二极管半导体材料论文第一作者多伦多大学红外激光器计算机工程系纳米粒感应器

氧化铁光阳极界面内建电场调控强化光生电荷空间分离

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Science China Materials 2023年第2期66卷 603-613页

作者：卯连连邓豪李明涛沈少华 International Research Center for Renewable Energy State Key Laboratory of Multiphase Flow in Power EngineeringXi’an Jiaotong UniversityXi’an 710049China

为了缓解氧化铁光阳极内部和表面的电荷复合,本文引入了一种界面电荷调控策略,利用界面内建电场(IEF)促进电荷的空间分离.水热生长的钛掺杂氧化铁(Hem)纳米棒通过简单的两步浸渍涂层过程,以石墨相氮化碳(g-C_(3)N_(4))和小的三氧化钼(Mo... 详细信息

为了缓解氧化铁光阳极内部和表面的电荷复合,本文引入了一种界面电荷调控策略,利用界面内建电场(IEF)促进电荷的空间分离.水热生长的钛掺杂氧化铁(Hem)纳米棒通过简单的两步浸渍涂层过程,以石墨相氮化碳(g-C_(3)N_(4))和小的三氧化钼(MoO_(3))团簇进行修饰.与原始的Hem相比,得到的Hem/C_(3)N_(4)/MoO_(3)表现出显著增强的光电化学分解水性能,相对于可逆氢电极,在1.23 V时,光阳极电流密度从0.3 mA cm^(-2)显著提高到1.6 mA cm^(-2),入射光子-电流转换效率在300 nm时达到18.4%.结果表明,在Hem/C_(3)N_(4)/MoO_(3)异质结中引入IEF是通过调控界面电荷特性实现的,此界面电荷特性是由Hem/C_(3)N_(4)界面的TypeⅡ能带排列和光阳极表面增强的能带弯曲所引起的,IEF能显著促进电荷的空间分离.研究这一界面电荷调控过程能为基于氧化铁的光阳极和其他半导体器件提供一种简单有效的策略,通过缓解载流子传输动力学的瓶颈,促进电荷的空间分离,实现高效的太阳能转换.

关键词：太阳能转换阳极电流密度半导体器件能带弯曲入射光子石墨相氮化碳载流子传输氢电极