近年来, 全无机铯铅卤素钙钛矿(CsPbX3,X=Cl,Br,I)量子点由于其色纯度高、具有可调谐的发射波长(410～760 nm)、窄的半峰宽(12～42 nm)和较高的荧光量子产率(最高可达95%以上)以及可全溶液处理等优势而受到人们的高度关注, 在显示和照明领域有着较为广阔的应用前景。本文首先介绍了近年来发展起来的全无机钙钛矿量子点的液相合成方法, 如高温热注射法、一步反应法、阴离子交换法和过饱和重结晶法等; 其次介绍了全无机钙钛矿量子点的形貌、尺寸和晶型调控及材料组分、反应温度和杂质离子对其发光性能的影响, 进而总结了无铅全无机钙钛矿量子点的研究进展; 然后介绍了全无机钙钛矿量子点在发光二极管方面的应用进展; 最后概述了全无机钙钛矿量子点在未来发展中存在的挑战和机遇。

氧化石墨烯是工业常用的化学试剂。为了测试其光热转换性能, 采用了改进的Hummers方法制取氧化石墨烯(GO)分散液, 进而通过静电纺丝制备PVA-GO复合膜, 运用紫外吸收漫反射光谱(UVRS)分析了PVA-GO复合膜的吸光性能, 通过电子天平连接计算机软件测量PVA-GO蒸发水量。结果表明, 在一定范围内, 随着GO质量浓度的增加, PVA-GO蒸发水量不断增加。当GO质量浓度达到7%时, PVA-GO复合膜能够较好地被静电纺丝成纤维网状结构, 同时又具有良好的光热转换效果。通过扫描电镜(SEM)分析PVA-GO复合膜的表面特征, 发现无添加GO的PVA膜是纤维丝状结构, 表面光滑, 且纤维直径大小一致, 分布均匀。当在PVA中填充7%GO时, 纤维网接而成, 部分GO均匀包裹纤维丝。在真空环境下, 423 K高温处理后, PVA-GO复合膜致密度增加, GO附着纤维丝程度提升。当使用980 nm红外激光辐射时, PVA-GO复合膜的蒸发速率为0.81 kg/(m2·h), 约是聚乙烯醇膜的两倍。同时, 蒸发效率达到51%。这不仅提高了光热转换性能, 增加了光能利用率, 还可以为海水淡化的工业应用提供参考。

La2CaB10O19(LCB)为可通过Nd∶YAG激光三倍频产生355 nm紫外激光的非线性光学晶体, 其光学性能可与商用化的LiB3O5 (LBO)晶体媲美, 但抗潮解特性优势明显。本文对用LCB晶体实现355 nm紫外激光输出的三倍频产生过程进行了优化设计, 利用走离补偿方法来提高激光输出转换效率。通过在光路中加入沿θ=45°方向切割、厚度为1.2 mm的方解石晶体走离补偿片, 在脉冲宽度为60 ns、重复频率10 kHz的激光参数下实现355 nm输出功率由12 W提升至20 W; 在脉冲宽度为25 ps、重复频率为10 Hz的激光参数下355 nm转换效率由28.3%提升至35.2%。

采用MOCVD技术在硅衬底上生长了含有7个黄光量子阱和1个绿光量子阱的混合有源区结构的InGaN基黄绿双波长LED外延材料, 研究了电子阻挡层前p-GaN插入层厚度对黄绿双波长LED载流子分布及外量子效率 (EQE) 的影响。通过LED变温电致发光测试系统对LED光电性能进行了表征。结果表明, 100 K小电流时随着电流密度的增大, 三组样品的绿光峰与黄光峰相对强度的比值越来越大, 且5.5 A·cm-2的电流密度下, 随着温度从300 K逐步降低至100 K, 三组样品的绿光峰与黄光峰相对强度的比值也越来越大, 说明其载流子都在更靠近p型层的位置发生辐射复合。三组样品的p-GaN插入层厚度为0, 10, 30 nm时, EQE峰值依次为29.9%、29.2%和28.2%, 呈现依次减小的趋势, 归因于p-GaN插入层厚度越大, p型层越远离有源区, 空穴注入也越浅。电子阻挡层前p-GaN插入层可以有效减小器件EL光谱中绿光峰随着电流密度增加时峰值波长的蓝移 (33 nm), 实现了对低温发光光谱的调控。

采用改进的两步高温固相熔融法制备了Yb3+、Eu3+、La3+共掺杂CaF2的上转换荧光粉。基于荧光猝灭原理, 通过改变La3+掺杂浓度来调节CaF2∶Yb3+/Eu3+材料的发光性能, 并在980 nm近红外光激发下, 获得了该材料的白色上转换发光(UCL)。在该发光体系中, Yb3+不仅起到了敏化Eu3+的作用, 同时, Yb3+二聚体(Yb3+-dimer)自身合作发出波长范围480~540 nm的绿色荧光。而白光三基色中的绿光正是来自Yb3+二聚体的合作发光。Eu3+则作为激活剂, 同时发出红色和蓝色荧光。荧光寿命测试结果表明Yb3+-dimer与Eu3+之间存在有效的能量传递。值得注意的是, 在980 nm 激光激发下, 1% La3+掺杂的样品表现出最佳的红、绿、蓝三基色光比列, 实现了材料的上转换白光发射, 其色度坐标为(0.311,0.340)。

用高温固相法制备了YAG:5%Dy3+以及(Ce0.01DyyY0.99-y)3A15O12 (y=0%,1%,3%,5%,7%,9%)荧光粉。XRD结果表明, NH4Cl、LiCl、H3BO3三种助熔剂比较, 添加H3BO3可有效降低YAG晶体的结晶温度, 有效阻止中间相YAlO3的形成。H3BO3做助熔剂在1 450 ℃煅烧6 h制备的Dy3+和Ce3+掺杂Y3Al5O12荧光粉具有单一YAG立方相结构, 且随Dy3+掺杂浓度增加, (420)衍射峰逐渐向小角度偏移。在583 nm监测下; 与单掺1%Ce3+样品比较, Ce3+与Dy3+共掺样品在342 nm处的吸收均减弱;与单掺5%Dy3+样品比较, Ce3+与Dy3+共掺样品在351 nm处的吸收明显增强。351 nm激发下, 随Dy3+掺杂浓度增加, Ce3+与Dy3+共掺样品中Ce3+在526 nm处的发射强度逐渐减小, 而在583 nm处的发射强度先增加后减弱, 这说明351 nm激发下, Ce3+与Dy3+共掺样品中存在Ce3+向Dy3+的部分能量传递。465 nm激发下, Ce3+与Dy3+共掺杂样品中只出现Ce3+的发射峰, 且随Dy3+浓度增加, Ce3+发光减弱。当Dy3+离子浓度为3%时, Ce3+与Dy3+共掺样品中Dy3+相对光强达到最大, 此时Ce3+→Dy3+能量传递效率为15.7%。405 nm激发下, 随Dy3+掺杂浓度增加, 合成粉体中Ce3+的寿命逐渐减小。经计算, Ce3+→Dy3+能量传递临界距离为3.464 nm, 为电四极-电四极相互作用的共振能量传递。

开发新型无机空穴传输层材料是钙钛矿电池实现商业应用的重要挑战之一。本文开展了二硫化钨纳米片制备及其钙钛矿太阳能电池空穴传输层应用研究。采用液相超声剥离法成功制备了WS2纳米片, 并将其引入钙钛矿太阳能电池中用作空穴传输层。结果表明, 当WS2纳米片溶液浓度为1 mg/mL时, 制备的WS2纳米片空穴传输层具有较合适的厚度, 并且后续在其上生长的钙钛矿活性层成膜质量高、结晶性能好, 电池取得6.3%的光电转换效率。结果证实WS2纳米片可作为新型无机空穴传输层材料用于钙钛矿太阳能电池。

为了提高双结叠层有机太阳能电池(OSCs)的性能, 我们对有机小分子叠层OSCs的中间层(IL)、阴极界面层(CL)和活性层进行了优化。首先,研究不同低功函数的金属纳米粒子(Mg、Ag、Al和Ca)作为IL对叠层OSCs性能的影响, 得到了最优的IL材料为0.1 nm厚的金属Al, 使得叠层OSCs的PCE提升了50.9%。其次, 研究了不同低功函数金属(Mg、Al和Ca)作为CL对叠层OSCs性能的影响, 并得到了最优的CL金属材料为Mg, 与Al作为CL的叠层OSCs对比, 采用Mg作为CL的器件PCE提升了20.7%。最后采用窄带隙材料DTDCTB取代中带隙材料boron subphthalocyanine chloride(SubPc)作为后子电池的活性层, 与仅采用SubPc的叠层OSCs相比, PCE提升了30.2%。当前后子电池均采用体异质结结构后, 最终叠层OSCs的PCE达到了4.04%, 与最初未优化前OSCs的PCE(2.1%)相比, 最优OSCs的PCE提升了92.4%。

通过溶液法合成了PbSe/TiO2复合纳米管, 并对其进行了微观形貌、晶体结构等的表征。结果表明, 制得的样品是由PbSe和TiO2两种材料构成的复合材料, 致密、均匀的TiO2薄膜包覆在PbSe纳米管表面。以氙灯为模拟光源, 通过对甲基橙的降解研究了PbSe/TiO2复合纳米管的光催化性能。结果显示, PbSe与TiO2之间形成的异质结使PbSe/TiO2复合纳米管具有较高的光催化性能, 比纯PbSe纳米管的催化降解率提高了约4.5倍。另外,对PbSe/TiO2复合纳米管光催化稳定性也进行了研究。

CdSe是Ⅱ-Ⅵ族中重要的半导体材料, 一定条件下可与CdS形成无限固溶体CdSexS1-x(0≤x≤1)。CdSexS1-x在薄膜太阳电池及光电器件等领域具有重要的应用, 对CdSexS1-x的电子学结构和光学性质进行研究有助于进一步提高其在光电器件等方面的应用。基于第一性原理, 采用平面波超软赝势方法, 计算了CdSexS1-x的电子学结构及光学性质, 并将计算结果与实验进行了对比。结果表明, CdSexS1-x的晶格常数随着Se组分的增加呈线性增大趋势, 态密度向低能级方向移动, 禁带宽度减小, 光吸收边发生一定程度的蓝移。当Se含量为0.5时, CdSexS1-x的光折射、反射和能量损失最大。除了Se和S的比例为1∶1时CdSexS1-x所属晶系为三斜晶系, 其他比例下均为立方晶系。理论计算结果与实验符合。

为了改善9xx nm高功率半导体激光器的性能, 对n包层和p包层的掺杂分布进行了调整, 以减小激光器的内部损耗。同时为了减小有源区载流子的泄漏, 在有源区和波导层之间引入了高能量带隙GaAsP。设计并制作了内部损耗为1.25 cm-1的高功率激光器。器件可靠性工作的最大输出功率为26.5 W。当输出功率为10.5 W时, 最大电光功率转换效率为72.4%, 斜率效率为1.16 W/A。

全光谱LED具有光谱和太阳光可见光光谱相似度高、色彩饱和度和保真度高、显色指数接近100且无蓝光危害等优点, 被认为是未来半导体照明技术的一个主流方向。本文从全光谱LED的概念和特性着手, 简述了全光谱LED方案相较于传统方案的优越性; 阐述了目前主流的全光谱LED方案及存在的问题; 最后, 分别从新型荧光粉的开发和多基色全光谱的合成两个方面介绍了研究者们关于完善光谱和简化流程所做的工作, 并对未来全光谱LED的应用做出了设想。