金属纳米颗粒的表面等离子体共振效应能够对特定波长入射光的吸收或者散射增强, 正因为其独特的光学性质, 金属纳米颗粒被尝试应用于荧光太阳集光器。本文利用全无机钙钛矿CsPbBr3量子点、Au纳米颗粒和硫醇-烯聚合物制备荧光太阳集光器。研究发现, 掺杂适量Au纳米颗粒可以通过表面等离子体共振效应提高全无机钙钛矿CsPbBr3量子点荧光太阳集光器的外量子效率。当Au纳米颗粒的掺杂浓度为2.0×10-6时, 荧光太阳集光器的外量子效率为12.3%, 相比未掺杂Au纳米颗粒的荧光太阳集光器的外量子效率提升了78.2%。进一步提高Au纳米颗粒的掺杂浓度, 荧光太阳集光器的外量子效率下降。荧光发射谱和荧光寿命谱测试结果显示, 当Au纳米颗粒的掺杂浓度超过2.0×10-6时, 过高的Au纳米颗粒掺杂浓度导致CsPbBr3量子点与Au纳米颗粒之间发生非辐射能量转移, 荧光太阳集光器荧光量子产率(ηPL,LSC)下降导致了外量子效率下降。

荧光太阳集光器在光伏建筑一体化方面的潜在应用受到了广泛关注。本文采用CsPbBr3纳米晶作为集光器的发光中心, 采用硫醇-烯聚合物作为集光器的透明光波导基质。通过荧光发射谱、吸收谱以及荧光寿命谱等对集光性能进行研究, 发现将CsPbBr3纳米晶掺入硫醇-烯聚合物后, 发光峰位蓝移了11 nm、半高宽展宽了20.4 nm, 这可归因于硫醇-烯聚合物基质的介电约束效应。同时, 硫醇-烯聚合物基质大幅提高了CsPbBr3纳米晶的发光稳定性。当CsPbBr3纳米晶在硫醇-烯聚合物基质中的掺杂浓度为5.6%时, 荧光太阳集光器的集光效率可达8.9%。采用商用的多晶硅太阳能电池耦合在荧光太阳集光器的边缘, 在标准AM1.5的太阳光照条件下, 器件开路电压为0.47 V, 短路电流密度为7.14 mA/cm2, 填充因子为24.01%, 光电转换效率为2.30%。

由于具有较大的光学吸收系数与低廉的材料成本, 硫化亚锡(SnS)在新型薄膜太阳能电池中展现出巨大的应用前景。为了实现SnS薄膜的可控制备, 进而研究其光伏特性, 首先, 利用脉冲电沉积法在不同工艺条件下制备了一系列SnS薄膜; 然后, 通过X射线衍射(XRD)技术与扫描电子显微镜(SEM)对薄膜的晶体结构与表面形貌进行表征, 结合紫外-可见-近红外吸收光谱测试结果, 研究两种不同开启脉冲电压对SnS薄膜禁带宽度的影响。同时, 采用莫特-肖特基方程定量计算了SnS薄膜的导电类型与掺杂浓度。在此基础上, 设计了基于Au/SnS/CdS/ITO异质结的原型光伏器件。在AM1.5标准太阳光照射下, 原型器件开路电压为111 mV, 短路电流密度为20.81 μA/cm2。为未来低成本、高性能的薄膜太阳能电池吸收层材料研究提供了理论基础和实验依据。

根据X射线光电子能谱分析和选择性光致发光谱测试结果, 探讨了Bi离子掺杂非晶二氧化硅薄膜的近红外发光来源。我们认为非晶二氧化硅薄膜中Bi离子的近红外发光来源于低价态Bi+离子从轨道3P1层到3P0层的辐射复合跃迁和Bi0从轨道2D3/2层到4S3/2层的辐射复合跃迁。此外, 本文利用限制性晶化原理, 通过在掺Bi二氧化硅薄膜中引入Au离子, 实现了Bi离子相关的近红外发光峰位可调,荧光强度增大了300%。高分辨透射电子显微镜截面图片证实了非晶二氧化硅薄膜厚度约为90 nm以及不同尺寸、数密度Au量子点的形成。变温光致发光谱测试结果表明, 部分Au离子可有效降低Bi离子掺杂非晶二氧化硅薄膜中羟基集团等非辐射复合中心密度。Bi离子掺杂非晶二氧化硅薄膜近红外发光来源的探讨以及通过Au量子点调控Bi离子近红外发光性质的讨论将有助于未来掺Bi发光材料的相关研究。

传统光聚集器热效应明显、结构复杂、成本昂贵。作为替代，荧光太阳集光器具有许多显著优势并能够有效降低太阳能电池的发电成本，因此受到广泛关注。本文通过传统热注入法合成了全无机钙钛矿CsPbBr3量子点，并在此基础上设计了基于CsPbBr3量子点的荧光太阳集光原型器件。通过TEM测试和必要的光学表征，证实本文合成的CsPbBr3量子点具有典型的立方体结构、76.8%的荧光量子产率、512 nm的发光中心波长和22 nm的中心波长半高宽。此外，结合蒙特卡洛智能优化算法，建立了基于CsPbBr3量子点的荧光太阳集光器的理论计算模型，确定了全无机钙钛矿量子点最优掺杂浓度和最佳平均波长集光效率。仿真结果表明，在量子点掺杂浓度为2.1×10-5 mol/L时，最优的集光效率达到5.4%。本文提出的蒙特卡洛光子追踪模拟过程将为未来荧光太阳集光器参数设计提供科学的计算方法。

In this paper, a slot microring resonator with a piece of spiral feedback waveguide for CH4 sensing application is pro-posed. This sensor is based on silicon-on-insulator (SOI) substrate and with the operation wavelength in mid-infrared region. To reach high sensitivity and good selectivity, slot cross section and spiral feedback waveguide are carefully tailored. The sensor shows ppb-scale trace gas sensing potential and is easy to be packaged in integrated photonics circuits. Calculation results show that the sensitivity reaches 1.4×10-2 dB/ppm and the detection limit achieves 700 ppb in the case of Lspiral=100Lr.

为提高钛合金的高温抗氧化性能, 采用激光熔覆原位自生技术, 在TC4钛合金表面自行设计并制备了原子百分比为Ti∶Al∶Si=41∶41∶18和Ti∶Al∶Si=35∶35∶30的两种涂层。通过XRD、OM、SEM表征了涂层的微观组织和物相组成; 借助管式电阻炉测试了涂层和基体试样在800 ℃×24 h×5次循环氧化条件下的高温抗氧化性能; 结合氧化增重和氧化动力学曲线分析了涂层的高温抗氧化机理。结果表明, 涂层主要由Ti5Si3、Ti7Al5Si12、Ti3Al、TiAl和TiAl3等物相组成。涂层中没有出现一般激光熔覆所产生的外延生长柱状晶组织, 全部为细小等轴晶。在800 ℃×24 h×5次循环氧化条件下, TC4基材单位面积的氧化增重约为35.1 mg·cm-2, 涂层的约为2.8 mg·cm-2和3.3 mg·cm-2。两种涂层的高温抗氧化性能较钛合金基材分别提高了12.5倍和10.6倍。激光熔覆原位自生Ti-Al-Si复合涂层能明显改善TC4钛合金的高温抗氧化性能。涂层抗氧化性改善的机理, 一方面是表面生成了连续致密的TiO2、Al2O3、SiO2氧化层, 阻碍了氧扩散; 另一方面是提高了氧化层的黏附性, 使氧化层不易从涂层表面剥落, 对涂层未氧化部分起到了很好的保护作用。

为了提高Tb3+离子在硅基薄膜中的吸收截面与光发射效率, 本文通过在硅基薄膜中引入具有更大吸收截面的SnO2纳米晶体, 利用共振能量转移机制, 大幅提高了Tb3+离子的光发射效率。首先, 利用限制性晶化原理, 采用基于旋涂技术的溶胶凝胶法制备了Tb3+离子与SnO2纳米晶体共掺杂非晶SiO2薄膜。然后, 通过选择最佳掺杂浓度的SnO2纳米晶体作为敏化剂, Tb3+离子掺杂SiO2薄膜在541 nm处的特征荧光发射强度增大了2个数量级。荧光激发谱与瞬态荧光寿命谱测试结果表明, Tb3+离子与SnO2纳米晶体之间存在着有效的非辐射复合能量传递过程, 1 000 ℃高温退火后, 部分Tb3+离子进入纳米晶体内部, 导致共振能量转移效率大幅提高。以上研究表明: SnO2纳米晶体是一种潜在的Tb3+离子敏化剂, 可有效提高稀土Tb3+离子掺杂SiO2薄膜的光发射效率。

为了提高钛合金的高温抗氧化性能, 推动钛合金在高温和复杂工况环境下的进一步工程应用, 利用高能激光束作用下Ti、Al、Nb三种元素混合粉末之间的原位反应在BT3-1钛合金表面制备了高温抗氧化的高铌Ti-Al金属间化合物复合涂层。针对原位反应所制备涂层存在的缺陷, 通过自行设计的热处理工艺优化了涂层和界面微观组织。借助光学显微镜(OM)、X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)分析了热处理前后复合涂层的物相结构及显微形貌。结果表明: 热处理前的涂层主要由单质Nb、金属间化合物γ-TiAl、α2-Ti3Al、Ti3Al2等物相组成; 热处理后的复合涂层, 单质Nb固溶到γ-TiAl和α2-Ti3Al中, 同时形成了新相Ti3AlNb0.3, 涂层近似为γ-TiAl+α2-Ti3Al双相层片状等轴晶组织。此外, 涂层中并未观察到减弱抗氧化性的单质Nb颗粒和Ti3Al2相, Ti、Al、Nb的宏观偏析得以消除, 涂层与基材界面位置的气孔和裂纹均以消失, 出现了明显的白亮带冶金结合过渡层, 涂层组织也更加均匀致密。热处理对提高钛合金表面Nb的合金化程度和改善Ti-Al金属间化合物的高温抗氧化性能起到了显著的促进作用。

采用机械振动辅助激光熔覆复合改性新工艺, 在45钢表面制备了单道Fe-Cr-Si-B-C合金涂层。借助X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)和能量分散谱(EDS)分析了熔覆层的物相组成、微观结构和元素分布, 通过HVS-1000型显微硬度计测试了熔覆层的显微硬度。结果表明, 熔覆层主要由α-(Fe, Cr)固溶体、M7C3(M=Fe、Cr)碳化物、Fe2B硼化物和少量Fe0.9Si0.1组成。在机械振动辅助作用下, 熔覆层结合界面组织由平面晶向带状和柱状晶转变, 振幅为0.13~0.18 mm时的晶粒细化效果最为明显; 熔覆层中增强相形态随着频率的增加由短杆状向颗粒状、层状、条状转变, 分布形态由杂乱分布向弥散分布和网状分布转变。相比未加机械振动的熔覆层, 机械振动下的熔覆层中气孔、裂纹减少, 显微硬度提高了约13.9%。这些结果显示熔覆层中显微组织形态及其分布主要受振幅和频率协同作用的影响。