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2019年  12卷  第5期

“钙钛矿光电材料与器件”专栏
Mn2+-doped CsPbX3 (X=Cl, Br and I) perovskite nanocrystals and their applications
LIU Hui-wen, YAO Dong, LIU Yi, ZHANG Hao
2019, 12(5): 933-951. doi: 10.3788/CO.20191205.0933
摘要:
Colloidal Mn2+ doped CsPbX3(X=Cl, Br, I) nanocrystals(NCs) are being explored extensively as alternative emitting materials, wherein highly efficient optical and optoelectronic processes can be achieved. Mn2+ doping in perovskite NCs also reveals several new fundamental aspects of doping and new dopant-induced optical properties through different methods of synthesis. Mn2+ doping exists in wide-band-gap perovskite hosts where the excitation energy is transferred to an Mn d-state, resulting in short-range tunable yellow-orange d-d emissions. Enormous efforts have been expended on understanding the doping process and designing highly efficient doped NCs. The unique electronic and fluorescent properties endow these Mn2+ doped perovskite NCs with various optoelectronic applications in light-emitting diodes(LEDs) and solar cells. Combining all these facts, this review focuses on the recent progress in synthesis methods, emission mechanism, and potential applications of Mn2+ doped CsPbX3 perovskite NCs and provides an outline for plausible future studies.
Charge transfer induced surface enhanced Raman scattering of single crystal and polycrystal perovskites
YU Zhi, YU Wei-li, GUO Chun-lei
2019, 12(5): 952-963. doi: 10.3788/CO.20191205.0952
摘要:
The charge transfer(CT) process plays a key role in the operation of the optoelectronic device system so a better understanding of the interfacial CT property is greatly important. In this paper, Surface Enhanced Raman Scattering(SERS) was utilized to study the interfacial CT property between CuPc and perovskites(single crystal and polycrystalline). The Raman spectra of CuPc adsorbed on the perovskite surface was enhanced. The laser wavelength dependent SERS study indicates that this phenomenon is mainly arising from the CT from the VB band of perovskite to the LUMO band of the CuPc molecules. In comparison, the SERS signal of CuPc molecules adsorbed on a single crystal is much stronger than that on the polycrystalline perovskite. This result indicates that the defect status affects the enhancement ability of the materials. Further study shows that, after the decoration of a thin silver film, the SERS spectra of CuPc on both single crystal and polycrystalline perovskites are further enhanced. The extreme enhancement is not only due to the electromagnetic property of the silver film but also the fact that the SPR of the silver enhances the charge separation of the perovskite, which further promotes the CT process between the substrate and adsorbed molecules. The CT based SERS study shows great potential application value in the field of optoelectronic research.
卤化物钙钛矿光伏材料的优化设计研究进展
赵电龙, 李天姝, 徐巧玲, 王雪婷, 张立军
2019, 12(5): 964-992. doi: 10.3788/CO.20191205.0964
摘要:
以CH3NH3PbI3为代表的有机-无机杂化卤化物钙钛矿材料,具有独特优越的光电特性,例如与可见光谱基本匹配的禁带宽度、强的带边光吸收、平衡的双极性载流子输运、超长的载流子扩散距离以及合适的激子结合能等。从2009年到现在,基于钙钛矿材料构建的太阳能电池光电转化效率由最初的不足4%提升到了超过25%,结合低成本的溶液旋涂样品合成方法,使钙钛矿材料成为新型太阳能电池领域的研究热点。然而,高效率钙钛矿材料中铅元素引起的毒性,以及材料本身的不稳定性一直是阻碍太阳能电池及相关光电器件商业化的两大障碍,人们正在努力解决这些问题。在这篇综述中,详细总结了卤化物钙钛矿光伏材料的优化设计,包括结构式为AMX3的单钙钛矿,A2MM'X6的双钙钛矿,A2MX6的有序空位双钙钛矿,A'2An-1MnX3n+1的二维钙钛矿以及类钙钛矿材料(如A3M2X9)。通过材料优化设计,在一定程度上解决或改善了钙钛矿的材料稳定性和毒性问题,但光伏性能仍有待进一步优化提升。在此研究过程中,第一性原理高通量材料模拟在材料设计方面显示了预测能力,得到了与实验研究交互反馈、相互印证的结果。在综述研究进展的同时,进一步讨论了优化设计的新材料存在的问题,并展望了解决这些问题的潜在途径。
钙钛矿材料在激光领域的研究进展
王兰, 董渊, 高嵩, 陈奎一, 房法成, 金光勇
2019, 12(5): 993-1014. doi: 10.3788/CO.20191205.0993
摘要:
钙钛矿材料具有发光量子产率高、自由载流子、结晶结构完美等优点,首先被提出应用于太阳能电池领域,并在近几年得到快速发展,研究也逐渐向电致发光、激光等领域拓展。本文介绍了钙钛矿材料在激光领域的研究进展,着重从4个部分进行叙述:可调节波长范围宽的钙钛矿激光器、稳定性更好的钙钛矿激光器、具有紫外光以及新波长激光输出潜力的钙钛矿激光器、具有非线性光学特性的钙钛矿激光器。列举了多种钙钛矿材料的制备方法及其光学特性;总结了现有钙钛矿激光器的结构特点以及输出模式;剖析了钙钛矿材料在激光领域广泛应用存在的问题,同时对钙钛矿激光器的发展前景进行了分析。为钙钛矿材料在激光领域的进一步研究提供参考。
印刷钙钛矿太阳能电池研究进展
秦昱, 林珍华, 常晶晶, 郝跃
2019, 12(5): 1015-1027. doi: 10.3788/CO.20191205.1015
摘要:
钙钛矿材料不仅具有载流子扩散长度长、可调节带隙宽、光吸收效率大等优点,并且其原料储量十分丰富,沉积过程所需的形成能较低,制备工艺可兼容大面积制造技术。总之,低生产成本、高转换效率和宽应用领域等优点使钙钛矿太阳能电池可与硅基太阳能电池相媲美,在能源生产中优势十分明显。在现阶段的钙钛矿研究中,高稳定性和大制备面积是钙钛矿光伏技术的研究热点,也是亟待突破的难点。本文综述了近年来采用印刷技术制备钙钛矿太阳能电池的原料组成、工艺控制等方面的研究进展,简述并比较了各种印刷技术的优点与局限性。重点讨论了钙钛矿太阳能电池印刷制备时需要考虑的因素,并列举了对于改善钙钛矿太阳能电池薄膜性能不同制备方法的尝试,评价了对于提高器件稳定性及工业生产适用性所采取的一些策略。
气相辅助刮刀涂布法制备钙钛矿薄膜
李今朝, 曹焕奇, 张超, 杨利营, 印寿根
2019, 12(5): 1028-1039. doi: 10.3788/CO.20191205.1028
摘要:
由于具有高效率以及可溶液法制备等优点,钙钛矿太阳能电池受到了广泛关注。溶液法制备钙钛矿薄膜通常使用旋涂法。然而,溶液旋涂法具有厚度不均匀、原料浪费严重等缺点,因而不适合制备大面积钙钛矿薄膜。目前,制备大面积均匀的钙钛矿太阳能电池仍是一项挑战。为此,本文使用一种新方法(气相辅助刮刀涂布法)来克服这一问题。该方法能够制备出大面积、高结晶度的均匀钙钛矿薄膜。此外,通过改变前驱液的浓度,能够得到不同厚度的钙钛矿薄膜。进一步研究发现,当前驱溶液浓度为1.0 M时,可以制备出光伏性能最佳的钙钛矿太阳能电池。当电池活性面积分别为0.112 5 cm2和1.0 cm2时,在AM1.5G(100 mW/cm2)模拟太阳光下,其光电转化效率的最高值为17.76%(平均效率16.9%)和16.3%。这为大面积钙钛矿太阳能电池的制备提供了新思路。
基于喷涂法制备氧化锡薄膜的钙钛矿太阳能电池
王熹, 赵志国, 秦校军, 熊继光, 董超, 白阳, 李煜璟, 陈棋
2019, 12(5): 1040-1047. doi: 10.3788/CO.20191205.1040
摘要:
电子传输层对于钙钛矿太阳能电池载流子的抽取与传输起着至关重要的作用,氧化锡由于其优异特性被作为电子传输层广泛应用于正式平板结构钙钛矿太阳能电池中。而目前制备氧化锡薄膜的工艺方法无法满足大面积、自动化等工业需求,亟待发掘新的工艺手段。为解决此问题,本文使用喷涂法成功制备了高质量的氧化锡薄膜。实验结果表明,基于喷涂法制备氧化锡薄膜的钙钛矿太阳能电池对于氧化锡薄膜的厚度有较高的依赖性,通过优化薄膜厚度,电池的光电转化效率可达到15.72%;喷涂得到的氧化锡薄膜存在咖啡环现象,使得串联电阻提高,限制了光电转化效率,但可以通过进一步细化液滴来解决。本文为钙钛矿产业化进程中高质量氧化锡薄膜的制备提供了新的思路与方法。
基于第一性原理的钙钛矿材料空位缺陷研究
袁海东, 周龙, 苏杰, 林珍华, 常晶晶, 郝跃
2019, 12(5): 1048-1056. doi: 10.3788/CO.20191205.1048
摘要:
为了获得优异的钙钛矿材料,本文系统地研究有机-无机杂化钙钛矿材料(CH3NH3PbI3)的电子结构和光学特性,同时探究了空位缺陷对其光学性质的影响。首先,采用Materials Studio软件构建本征钙钛矿材料的电子结构,并基于广义梯度近似的方法(GGA)和Perdew-Burker-Ernzerhof(PBE)泛函,优化其电子结构并计算本征钙钛矿材料的电学和光学特性。通过采用范德华力修正,解决了密度泛函理论低估带隙的问题,得到准确的带隙。其次,研究不同的空位缺陷(Pb空位和I空位缺陷)对钙钛矿材料的电子结构的影响,并计算其能带、态密度和光学性质。最后通过对比本征钙钛矿材料和空位缺陷的钙钛矿材料特性,从微观机理研究空位缺陷对其光学性质的影响。结果表明:本征钙钛矿材料带隙为1.52 eV,这与实验测得的带隙值基本吻合;同时研究发现Pb空位缺陷会导致钙钛矿呈偏P型材料;I空位缺陷会导致钙钛矿呈偏N型材料。空位缺陷能够有效地改变钙钛矿材料的介电函数和光吸收谱,对于钙钛矿材料的研究及在光电器件领域的应用具有重要的理论价值。
基于Se和有机无机钙钛矿异质结的宽光谱光电探测器制备及其光电特性研究
陈洪宇, 王月飞, 闫珺, 李林, 王贺彬, 卞万朋, 李炳生
2019, 12(5): 1057-1063. doi: 10.3788/CO.20191205.1057
摘要:
针对目前高效、稳定的p型掺杂一直较难实现的问题,本文采用化学气相沉积方法制备出了高结晶质量的p型半导体材料Se微米线。同时,还制备出了基于单根Se微米线的光电探测器,其在紫外和可见光波段有较宽的响应范围,响应截止边为675 nm。该器件在5 V偏压下的峰值响应度可达2.8 mA/W(600 nm)。在此基础上,利用p型Se微米线与钙钛矿材料CH3NH3PbCl3制备了p-n结型器件,与单根Se微米线光电探测器相比,响应时间和响应度都有明显提升,尤其是异质结的响应度比纯Se微米线提高了850%。这一研究结果说明本文制备的有机无机复合结构p-n结非常有望应用到高性能光电探测器中。
综述
中高体积分数SiCp/Al复合材料研究进展
程思扬, 曹琪, 包建勋, 张舸
2019, 12(5): 1064-1075. doi: 10.3788/CO.20191205.1064
摘要:
中高体积分数SiCp/Al复合材料相较于传统合金材料具有力学性能和热学性能"可裁剪"的特点。本文介绍了中高体积分数SiCp/Al复合材料的主要制备技术工艺,以及中高体积分数SiCp/Al复合材料在精密仪器、光学系统、电子封装及热控领域典型应用,最后展望了中高体积分数SiCp/Al复合材料未来的发展趋势。
原创文章
集成PIN光敏元的CMOS探测器光电响应特性研究
杨成财, 鞠国豪, 陈永平
2019, 12(5): 1076-1089. doi: 10.3788/CO.20191205.1076
摘要:
传统的CMOS图像传感器一般采用基于LV-CMOS工艺的N阱/P型衬底制备的PN光电二极管或者PPD二极管作为光敏元。PIN光敏元具有结电容小、量子效率高的特点。采用HV-CMOS(高压CMOS)工艺可以实现CMOS电路与PIN光敏元的单片集成。本文研究了集成PIN光敏元的CMOS探测器的光电响应特性以及NEP随像素大小和复位电压的变化关系。研究表明,将光敏元从PN光电二极管改为PIN光电二极管后,像素电荷增益可以提高一个数量级左右;同时,像素的瞬态电荷增益要大于传统认为的1/Cpd,并与二极管的大小以及复位电压紧密相关。研究发现,小像素因其更高的电荷增益和更低的等效噪声,更加适合弱信号下的短积分时间快速探测。若配合微透镜的使用,小像素在微光探测方面可以获得更大的优势。
大视场高像质简单光学系统的光学-算法协同设计
郑云达, 黄玮, 徐明飞, 潘云, 贾树强, 张晓菲, 卢勇男
2019, 12(5): 1090-1099. doi: 10.3788/CO.20191205.1090
摘要:
为了实现高像质相机低成本、小型化的需求,本文提出了一种大视场简单光学系统的光学-算法协同设计方法,并通过图像复原算法校正简单光学系统的残余像差。首先,针对大视场光学系统,对空间变化的交叉通道去卷积算法进行改进,加入倍率色差校正,使图像复原算法可显著去除色差的影响。然后,在光学设计过程中,放开色差的约束,并专注优化绿色通道的像质,使其成像锐利,在后期交叉通道去卷积算法中有助于红、蓝两通道图像复原。利用该方法设计了一个由两片同种材料的镜片构成的大视场简单光学系统。系统焦距为50 mm,全视场为46°,F数为5.6,探测器分辨率为1 000万像素。实验结果表明:本文设计的两片镜、大视场简单光学系统的成像质量可媲美三片式库克镜头,明显优于纯图像复原的结果。本文方法实现了大视场简单光学系统的设计,并能够通过系统最终获得高分辨率、高像质图像。
双向大气湍流光信道瞬时衰落相关特性测量
向磊, 陈纯毅, 姚海峰, 倪小龙, 潘石, 刘中辉, 娄岩
2019, 12(5): 1100-1108. doi: 10.3788/CO.20191205.1100
摘要:
为证明双向光传输系统中大气湍流信道的互易性,提出一种测量瞬时接收信号衰落相关性的方法,并建立了分析测量数据的数学模型。在相距883 m的两栋高楼之间进行双向光传输测量实验,根据测得的光斑图像数据,对信道的瞬时衰落相关性进行验证,并分析了实际场景下归一化接收信号起伏方差对相关系数的影响。结果表明:两个相反方向的光信道瞬时衰落相关系数大部分均在0.85以上,最高可达0.95,证明了双向大气湍流光信道之间存在良好的互易性;且随着归一化接收信号起伏方差的增大,相关系数呈轻微下降的趋势。
国产化掺铥光纤激光振荡器性能研究
孟佳, 张伟, 赵开祺, 余婷, 吴闻迪, 于春雷, 李璇, 李兴冀, 叶锡生, 曹清
2019, 12(5): 1109-1117. doi: 10.3788/CO.20191205.1109
摘要:
目前,掺铥光纤激光器(TDFL)所使用的材料和器件,特别是增益光纤,多为外国公司所生产,因而,有必要开展基于国产材料和器件的该类激光器研究。本文报道了基于自研增益光纤建立的连续波掺铥光纤激光振荡器的性能。实验中,利用纤芯直径为10 μm的自研掺铥光纤、国产泵浦源及光纤光栅搭建了三台振荡器,分别产生了中心波长为1 918、1 941和2 013 nm的激光输出。此外,对国产与进口增益光纤的激光输出特性进行了比较。实验结果表明,与进口光纤相比,自研掺铥光纤在输出效率方面低6%~11%,但是光谱线宽保持良好(0.1 nm左右),且在近场光斑分布方面具有一定优势。