从三元黄铜矿结构CuM（M=In,Ga）X2（X=Se,S）到CuIn0.5Ga0.5Se2的价电构、熔点和光电性能的关联性分析

应用＂固体与分子经验电子理论＂（Empirical Electron Theory,EET）系统地研究了三元黄铜矿结构CIGS的价电子结构,以此为基础分析了CIGS（Cu（In,Ga）（Se,S）2）的熔点和光吸收性质.计算结果和实验值符合的很好,计算得到Cu的3d电子与In,Ga的s电子杂化后的跃迁可以使CIGS吸收光子.CuInSe2的禁带宽度在1–1.16eV之间,CuGaSe2的禁带宽度在1.54–1.74eV之间,CuInS2的禁带宽度在1.4–1.61eV之间,CuGaS2的禁带宽度在2.36–2.44eV之间.用球磨、退火的方法得到CuIn0.5Ga0.5Se2单相,通过XRD得到晶体结构,差热分析得到熔点.根据晶体结构和熔点,用EET计算得出CuIn0.5Ga0.5Se2吸收光子的能量主要分布在1.17–1.56eV之间,禁带宽度接近较小值.黄铜矿结构的CIGS都可以吸收紫外光,其中CuInSe2的吸收效率最高,主要吸收峰在紫外区,CuGaSe2吸收紫外光的效率最低.     

CuIn1-x GaxSe2/CuIn1-x AlxSe2电子结构与光学特性的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论(DFT)框架下广义梯度近似的PBE平面波超软赝势方法计算了CuIn1-xGaxSe2(CIGS)和CuIn1 -xAlxSe2 (CIAS)的电子结构及光学性质.计算结果表明黄铜矿型CIGS和CIAS都是直接带隙半导体材料,禁带宽度分别为1.34 eV,1.50 eV.计算并对比分析了CIGS和C...     

Preparation of Cu（In,Ga）Se2 thin film by sputtering from Cu（In,Ga）Se2 quaternary target

Cu(In,Ga)Se2 (CIGS) thin films were prepared by directly sputtering Cu(In,Ga)Se2 quaternary target consisting of Cu:In:Ga:Se 25:17.5:7.5:50 at%. The composition and structure of CIGS layers have been investigated after annealing at 550 ℃ under vacuum and a Se-containing atmosphere. The results show that recrystallization of the CIGS thin film occurs and a chalcopyrite structure with a preferred orientation in the (112) direction was obtained. The CIGS thin film annealed under vacuum exhibits a loss of a portion of Se, while the film annealed under Se-containing atmosphere reveals compensation of Se. Several solar cells with three different absorber thicknesses were fabricated using a soda lime glass/Mo/CIGS/CdS/i-ZnO/ZnO:Al/Al grid stack structure. The highest conversion efficiency of 9.65% with an open circuit voltage of 452.42 mV, short circuit current density of 32.16 mA cm2 and fill factor of 66.32% was obtained on a 0.755 cm2 cell area.     

Cu-In膜的相结构对CuInSe2薄膜性能的影响

为考察溅射功率对Cu-In薄膜中相结构以及相应的CuInSe2(简称CIS)薄膜性能的影响,采用中频交流磁控溅射方法沉积Cu-In薄膜,并采用固态硒化方法形成CIS薄膜.采用SEM和EDX观察和分析了它们的表面形貌和成分,采用XRD表征了薄膜的组织结构,并分析了硒化中的反应动力学过程.结果表明,在不同的溅射功率条件下,Cu-In预制膜以Cu11In9相或Cu11In9和CuIn的混合相存在.由Cu11In9和CuIn混合相薄膜形成的CIS薄膜具有单一的CuInSe2相黄铜矿相结构,且其成分接近CuInSe2化学计量比.而由Cut1In9相Cu-In预制膜形成的CIS薄膜中除了CuInSe2相以外,还出现了Cu2Se相,且其成分远离CuInSe2化学计量比.因此,具有Cu11In9和CuIn混合相结构的CuIn薄膜更适合制备CIS太阳电池吸收层.     

铁基超导材料FeTe0.5Se0.5的第一性原理研究

采用第一性原理计算了FeTe0.5Se0.5在两种不同结构模型下的电子结构、晶格动力学以及电声子相互作用.结果表明:用两种结构模型计算得到的电子结构大致相同,费米面附近的态密度主要来自Fe d电子的贡献.对两种模型我们根据不可约表示分析了Γ点的光学模频率,并给出了声子谱及声子态密度.用模型1和模型2计算得到的电声子耦合常数λ分别为0.20和0.22,都非常弱,无法解释实验上较高的超导转变温度.因此,超导材料FeTe0.5Se0.5和其他的铁基超导材料一样,都不属于常规的电声子耦合超导材料.     

几种元素掺杂二维MgCl2单层的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法对H,F,Al, K,Zn掺杂二维MgCl₂单层材料的几何结构和电子性质进行研究.结果表明：几种掺杂体系的晶体结构均有不同程度变化;由于H,Al, Zn的s态电子影响,这3种元素掺杂的MgCl₂在禁带中明显出现杂质能级,F和K掺杂体系的杂质能级出现在价带顶,与本征MgCl₂材料的5.996 eV带隙相比,H,F,Al, K,Zn掺杂体系的禁带宽度分别减小至5.665,5.903,4.409,5.802,5.199 eV; 5种掺杂体系杂质原子周围的电荷均重新分布;电荷转移情况与差分电荷密度结果一致;与本征MgCl₂的功函数8.250 eV相比,H,F,Al, K,Zn掺杂体系的功函数分别减小至7.629,7.990,3.597,7.685,7.784 eV.     

溅射功率及退火处理对Ga2O3薄膜特性的影响

采用JGP-300型超高真空磁控溅射镀膜设备在蓝宝石衬底上制备了Ga2 O3薄膜,研究了溅射功率和退火工艺对薄膜晶体结构、表面形貌和光学特性的影响.研究结果表明:当溅射功率为90 W时,Ga2 O3薄膜的(-402)衍射峰最强,薄膜结晶质量最好.退火后Ga2 O3薄膜的结晶度均有所加强.随着溅射功率的增加,Ga2 O3薄膜变得均匀致密,但溅射功率过高反而影响成膜质量.Ga2 O3薄膜吸收边在250 nm附近,在Ga2 O3可见光区域透过率可达85％以上,且在450～500 nm处接近100％.退火处理可以进一步提高薄膜的透过率.Ga2 O3薄膜的禁带宽度随溅射功率的提高而减小,分布在4.8～5.0 eV,且退火后禁带宽度整体减小.这表明退火处理使得大部分Ga2 O3转化为最稳定的 β相.     

稀土掺杂TiO2纳米线阵列的可见光催化性能

采用溶胶-电泳沉积法在多孔阳极氧化铝模板上制备了TiO2光催化纳米线,合成了具有高比表面积的糖葫芦状M/TiO2(M代表La3+、Ce3+、Nd3+)纳米线阵列体系。采用SEM对样品进行了表征,表明M/TiO2纳米线阵列保持了模板的有序性;对甲基橙的可见光降解实验表明,稀土金属离子掺杂TiO2纳米线阵列体系具有非常优良的可见光催化性能;紫外-可见吸收光谱测试表明,La3+、Ce3+、Nd3+掺杂增强了TiO2在可见光区域的吸收能力,吸收带边红移至可见光区,未掺杂的TiO2禁带宽度为3.24eV,掺La3+、Ce3+、Nd3+的M/TiO2禁带宽度分别减小至2.6eV、2.8eV、2.0eV,这和光催化性能是大致相对应的。     

La/S共掺杂对锐钛矿相TiO2电子结构的影响

采用基于密度泛函理论的第一性原理对La/S共掺杂前后锐钛矿相TiO2的晶格参数、电荷布居以及电子结构进行了计算.结果表明:La/S共掺杂导致TiO2晶格膨胀并减小了锐钛矿相TiO2的禁带宽度,同时在TiO2禁带之内引入了局域态的杂质能级,这些杂质能级可以充当电子从价带到导带跃迁的"桥梁"以减小激发光子的能量从而提高太阳光的利用率.为实验上合成的La/S共掺杂TiO2可见光催化剂提供了一定的理论基础.     

共沉淀法制备的含Sm2O2S钐铈复合物的表征及紫外–可见光屏蔽性能

氧化铈是一种应用比较广泛的无机紫外屏蔽剂，但是太阳光中的成分不只是紫外线会对人体产生伤害，400–450 nm之间的高能短波蓝光也会对人的皮肤或者眼睛产生一定的伤害，所以，本文旨在制备一种既能屏蔽紫外光又能屏蔽高能短波蓝光的光屏蔽剂。本文通过共沉淀法合成了含有Sm₂O₂S的钐铈复合物。 这种复合物不仅可以阻挡紫外光，还可以阻挡蓝光。钐铈复合物的平均透射率(360–450 nm)和禁带宽度最小值分别为8.90%和2.76 eV，低于CeO₂的13.96%和3.01 eV。元素分析 (EA)、X 射线衍射 (XRD)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)和拉曼光谱(Raman)确定了实验中制备的钐铈复合物样品由Ce₄O₇、Sm₂O₂S、Sm₂O₃和Sm₂O₂SO₄组成。通过扫描和透射电子显微镜(SEM和TEM)分析了钐铈复合物样品的微观结构。 X射线光电子能谱(XPS)表明，铈元素具有Ce3+和Ce4+两种价态，氧元素具有晶格氧和氧空位两种存在形式。Sm3+和Ce3+在氧化铈晶格中的掺杂以及氧空位的存在是导致钐铈复合物具有较小的禁带宽度以及优异的紫外–可见光屏蔽性能的重要原因。     

聚噻吩修饰纳米结构TiO2膜电极光电性能研究

用光电流作用谱、光电流-电势图等光电化学方法研究了聚噻吩(PTh)膜和纳米结构TiO2/聚噻吩(ITO/TiO2/PTh)复合膜的光电转换性质。结果表明,PTh膜的禁带宽度为2.02eV,价带位置为-5.86 eV,导带位置为-3.84 eV。在ITO/TiO2/PTh复合膜电极中存在p-n异质结,在一定条件下异质结的存在有利于光生电子-空穴对的分离,PTh修饰ITO/TiO2电极可使光电流产生波长发生明显红移,从而提高了宽禁带半导体的光电转换效率。在实验条件下,单色光的光电转换效率最高可达到13%。     

理论研究半金属TiB2的电子结构和光学特性

为了系统地分析半金属TiB₂的能带结构及光学特性，采用密度泛函理论的第一性原理平面波赝势方法，计算分析了TiB₂的电子结构及光学特性。能带结构表明TiB₂具有直接带隙宽度为0.388 eV的半金属材料，在费米能级附近，态密度的价带主要由Ti的3p价电子和B的2p价电子起作用，导带由Ti的3d价电子起主要贡献。从获得的光学特性参数发现在光子能量为0.73 eV处，Ti的4s3p和B的2p电子发生共振，复介电函数的峰值主要出现在低能区，材料对紫外光的最大吸收系数为4.03×10⁵cm^-1。本研究得到的光学特性参数在光电子器件、微电子和紫外探测器等制作方面有着较好的参考作用。     

p-n型Cu2O-TiO2复合可见光催化材料的研究进展

半导体光催化剂TiO2由于其无毒无害、稳定性好、催化活性高等优点而备受关注,但其较宽的禁带宽度遏制了对太阳光的利用率,并且量子效率低.为了提高二氧化钛的光利用率,可通过与Cu2O复合对其改性,并形成p-n型异质结光催化剂.因其特殊的能带结构和载流子输送特性而备受关注.详细介绍了Cu2O-TiO2光催化剂的特性、研究现状以及应用领域,并对未来的研究方向进行了展望.     

铁掺杂纳米TiO2的可见光催化性能

为了提高纳米TiO2催化剂的光催化氧化性能,采用溶胶-凝胶法,以酞酸丁酯为原料制备铁掺杂纳米TiO2光催化剂(Fe-TiO2).分别采用X射线衍射和紫外-可见光漫反射对其晶相和光催化活性进行表征.以偶氮结构的弱酸性染料溶液为目标降解物,研究在可见光照射下Fe-TiO2的光催化性能.结果表明,Fe-TiO2光催化剂的晶相为单一锐钛矿相,粒径为17.7nm;吸收边带红移至500nm,禁带宽度减小到2.48eV.在可见光下光催化反应180min,Fe-TiO2光催化剂对弱酸性染料的降解率达99.86%.     

(S,Co)双掺杂TiO2改性第一性原理

为提高TiO2晶体的光催化性能,采用基于密度泛函理论的平面波超软赝势方法,研究了S和Co分别单掺杂和双掺杂锐钛矿TiO2的晶体结构、电子结构和光学性质.研究结果表明:原子替位掺杂后体系晶格畸变较小;禁带中杂质能级的出现使TiO2光吸收带边发生了明显红移,且在可见光区的吸收效率显著增加,大大提高了光催化效率.与单掺杂比较发现,(S,Co)双掺杂红移现象更加明显且在可见光区均有吸收,为较好的掺杂改性方式.该成果对实验合成性能较佳的TiO2具有较好的指导意义.     

N,F和S掺杂对TiO_2电子结构与光学性质的影响

基于第一性原理的计算方法研究了掺杂N,F,S的锐钛矿相TiO2的晶体结构、电子结构及光学性质。计算结果表明掺杂后晶格发生了变化,同时导带位置下移导致了TiO2的禁带宽度变小。S掺杂使TiO2在紫外光区和可见光区有更强的光吸收特性。     

应变调控单层2H-MoS2的能带结构和光学性质

为了从电子层面分析应变对能带结构以及光学性质产生影响的机理,采用密度泛函理论研究了应变对单层2H-MoS₂能带结构、光学性质、载流子迁移率和光催化分解水的影响.结果表明：晶格拉伸后带隙由2.15 eV减小到了1.65 eV,而晶格压缩后带隙由2.15 eV增大到2.66 eV.随着拉应变的增大,吸收曲线产生了蓝移,压应变对光学吸收系数的影响刚好相反.电子的载流子迁移率比空穴的大10倍左右,所以光照下电子和空穴能够有效的分离.综合光的吸收系数和光催化制氢条件这两个方面的因素可知,应变在2%、-2%、-6%这三种情况下能够得到最好的光催化制氢效果.     

P、Bi掺杂锐钛矿相TiO2的第一性原理研究

针对纯的锐钛矿二氧化钛(TiO_2)禁带宽度较高,不能吸收大部分可见光的问题,采用基于密度泛函理论的第一性原理,计算了P、Bi掺杂锐钛矿相二氧化钛的态密度和光学性质。研究结果表明:纯锐钛矿相二氧化钛禁带宽度计算值为3.22 eV。P、Bi单掺或者共掺均会降低二氧化钛的禁带宽度,P、Bi共掺禁带宽度为1.83 eV,大大提高了锐钛矿相二氧化钛对可见光的吸收。     

第一性原理计算Zr/S共掺杂锐钛矿相TiO_2的电子结构

利用基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势方法对Zr/S共掺杂锐钛矿相TiO2的晶格参数、电荷布居、能带结构、电子分态密度和吸收光谱进行了计算.计算结果表明:Zr/S共掺杂导致锐钛矿相TiO2的晶格畸变使其体积变大,共掺杂时Zr和S的电荷布居数与单掺杂前的布居数略有不同;Zr/S共掺杂还导致锐钛矿相TiO2的禁带宽度变大0.1eV,达到2.30eV,但是由于Zr/S共掺杂在TiO2禁带之内引入了杂质能级,这些杂质能级可以作为电子跃迁的"台阶"而降低电子从价带跃迁到导带所需的激发光子能量,这有可能是实验上制备的Zr/S共掺杂TiO2具有较高光催化活性的内在原因.     

Cu掺杂A-TiO_2电子结构和光学性质的第一性原理研究

利用基于密度泛函理论的第一性原理计算研究了Cu掺杂的A-TiO_2的电子结构和光学性质.结果表明,p型Cu掺杂会在禁带中引入杂质能级,同时杂质能级的数目随着掺杂Cu原子的增加而增多.由于杂质能级的出现,掺杂体系的禁带宽度变宽但有效禁带宽度降低,电子从低能级向高能级跃迁所需的光子能量变小,掺杂体系吸收谱的吸收峰发生明显的红移.掺杂体系在可见光区(680nm处)出现新的吸收峰,当Cu原子掺杂摩尔分数为4.17%时,A-TiO_2对可见光的净吸收最优,可有效提升A-TiO_2光催化剂的性能.可为制备高效的TiO_2半导体光催化材料研究提供参考.