共轭聚合物作为有机光电池电子受体的特性研究

以聚3-已基噻吩(P3HT)和聚对苯亚乙烯衍生物(MDMO-PPV)作为电子给体,聚 (TQ1)作为电子受体,制备并研究了聚合物给体/聚合物受体有机光伏电池性能。当给体P3HT、受体TQ1共混质量比为1∶1时,器件性能最佳。热处理会改变薄膜形貌,导致激子扩散到达界面的距离增加和激子分离界面数量下降,进而引起器件性能下降。溶剂效应对器件性能影响不明显。研究了相似能带结构给体聚合物对MDMD-PPV光电池性能的影响,发现结晶程度较低的给体材料会进一步导致器件性能降低。     

新型高效聚合物/富勒烯有机光伏电池研究进展

有机聚合物/富勒烯本体异质结光伏电池以其不断提高的能量转换效率受到了研究人员的广泛关注, 近年来成为光伏电池研究领域的热点之一. 本文主要通过对聚合物/富勒烯太阳能电池的内部机理,包括光吸收、激子扩散和解离以及自由载流子输运和提取等关键科学问题, 从器件材料和结构优化、形貌控制和界面修饰等不同侧面介绍了提高聚合物/富勒烯太阳能电池性能的方法, 讨论了各种器件的结构和能量转换效率, 对于进一步开展这方面的研究工作指明了方向, 最后对其未来的发展前景做出了展望.     

原子尺度材料三维结构、磁性及动态演变的透射电子显微学表征

原子表征与操控是实现原子制造必须突破的物理瓶颈之一.像差校正电子显微学方法因其优异的空间分辨率,为实现原子精细制造提供了有力的表征手段.因此,利用电子显微学手段,在原子尺度对原子制造的材料及器件进行三维结构和性能的协同表征,对于深入理解原子水平材料操控的物理机理具有非常重要的意义.纳米团簇及纳米颗粒是原子制造材料与器件研究的主要对象之一,具有丰富的物理化学性质和较高的可操纵性.本文探讨纳米团簇/颗粒结构三维定量表征、使役条件下纳米团簇/颗粒结构演变定量表征、纳米颗粒/晶粒结构-成分-磁性协同定量表征等诸多方法与实例,阐明了电子显微学表征手段的突破和发展为实现精细控制的原子制造材料提供了坚实基础.     

纳米银增强聚合物太阳能电池光吸收的研究

基于共轭聚合物给体材料P3HT和富勒烯衍生物受体材料PCBM共混的体异质结结构 的聚合物太阳能电池因其空穴载流子迁移率低而限制了P3HT:PCBM功能层厚度, 从而影响了器件对入射光的吸收. 在聚合物功能层内引入金属纳米颗粒可以利用金属表面等离子体效应增强器件内电场并改善器件的光吸收. 本文基于时域有限差分法(finite difference time domain, FDTD)方法模拟得到了聚合物功能层内包含了直径为50 nm纳米银球并且球间距为50 nm的聚合物太阳能 电池器件在波长分别为400 nm和500 nm照射时的二维光电场分布以及入射角分别为15°, 45°, 60°时包覆纳米银聚合物功能层横截面内的光电场强度分布; 计算得到了银纳米颗粒尺寸分别为10 nm, 20 nm和50 nm时以及分布在空穴传输层PEDOT:PSS的纳米银器件的光吸收; 并计算了斜入射时包覆纳米银的聚合物功能层光吸收. 理论分析表明: 聚合物功能层加入纳米银球后, 因为纳米银球的表面等离子体效应使入射光在功能层内散射增强而使器件内的光电场重新分布; 直径较大的纳米银颗粒能产生大角度的光散射, 更有利于聚合物功能层对光的吸收. 这里, 基于有机银盐还原法制备了纳米银颗粒并制备了银等离子体增强的聚合物太阳能电池, 其结构为: glass/ITO (～100 nm)/PEDOT:PSS (40 nm)/P3HT:PCBM (～100 nm)(nano-Ag)/LiF (1 nm)/Al (120 nm). 该器件与平板器件的性能对比实验证实: 通过在聚合物功能层内上引入纳米银颗粒可以有 效增加器件光吸收并改善器件电学性能, 器件外量子效率在520 nm处最大增加了17.9%. 关键词： 纳米银 表面等离子体共振 时域有限差分 聚合物太阳能电池     

缓冲层提高有机聚合物光伏电池性能研究

在分析有机聚合物复合体光伏电池机理及等效电路模型基础上,研究了界面旋涂缓冲层对聚合物给体/受体复合体结构光伏器件性能的影响.制备了基于P3HT/PCBM的给体 受体复合体薄膜有机光伏电池,并分别在有机活性层和ITO基底之间以及有机活性层和电极之间插入TFB和F8BT缓冲层.实验证明：在ITO和活性层之间旋涂TFB作为阳极缓冲层,可增加有机聚合物光伏器件的短路电流,在活性层和电极之间插入F8BT作为阴极缓冲层,可增大光伏器件的开路电压,提高器件的转换效率.     

有机合成——光电子材料研究的重要工具

以有机电致发光显示与照明技术、有机太阳能电池等为代表的有机光电子器件在世界范围内吸引了产业界和研究机构的关注。新型有机光电材料的开发是近些年来有机光电子飞速发展的基石和巨大推动力。合成方法与材料设计思路的突破,使包括小分子和聚合物光电材料的性能得到了飞跃式发展。从材料的设计与合成入手,综述了材料化学结构与分子自组织行为及最终器件性能的关系。以窄带共轭聚合物、全共轭嵌段聚合物、超支化材料等为例阐述了上述材料溶液与本体中的自组织行为,以及用于有机太阳能电池给体材料时形貌对器件行为的影响。     

MEH-PPV与TiO2共混体系太阳电池性能分析

以MEH-PPV(poly(2-methoxy-5-(2′-ethylhexoxy)-1,4-phenylene vinylene)为电子给体材料(Donor,D), TiO₂纳米线为电子受体材料(Acceptor,A),制成了共混体系太阳电池. 从D/A材料共混体系的紫外可见吸收光谱(UV-vis)、光荧光谱(PL)、器件的电荷传输的光导J-V图等方面,分析了MEH-PPV∶TiO₂体系器件性能变化的原因. 得出了当在纯MEH-PP 关键词： 太阳电池 聚合物 性能     

金属纳米颗粒与二维材料异质结构的界面调控和物理性质

二维材料具有原子级光滑表面、纳米级厚度和超高的比表面积,是研究金属纳米颗粒与二维材料的界面相互作用,实时、原位观察金属纳米颗粒的表面原子迁移、结构演化和聚合等热力学行为的重要载体.设计和构筑金属纳米颗粒与二维材料异质结构界面,在原子尺度分析和表征界面结构,揭示材料结构和性能之间的相互关系,对于理解其相互作用和优化器件性能具有重要价值.本文总结了近年来金属纳米颗粒在二维材料表面成核、生长、结构演化及其表征的最新进展,分析了金属纳米颗粒对二维材料晶体结构、电子态、能带结构的影响,探讨了可能的界面应变、界面反应,及其对电学和光学等性质的调控,讨论了金属纳米颗粒对基于二维材料的场效应管器件和光电器件的性能提升策略.为从原子、电子层次揭示微结构、界面原子构型等影响金属纳米颗粒-二维材料异质结性能的物理机制,为金属-二维材料异质结构的研制及其在电子器件、光电器件、能源器件等领域的应用奠定了基础.     

新型碳材料在钙钛矿太阳电池中的应用研究进展

新型碳材料如石墨烯及其氧化物、碳纳米管、富勒烯及石墨炔等因其优异的热学、力学、电学、光学性能成为了钙钛矿太阳电池研究的又一亮点. 本文总结了新型碳材料在钙钛矿太阳电池对电极、电子传输材料及空穴传输材料中的研究进展, 新型碳材料的引入有效地提高了钙钛矿电池的性能, 为下一步新型碳材料的应用开发以及钙钛矿电池器件的研究提供了新的思路.     

八羟基喹啉铝取代钙作为电子传输层对聚合物太阳电池光稳定性的影响

通过选择高效窄带隙聚合物给体材料PTB7与电子受体材料PC71BM作为聚合物太阳电池的活性层,采用Glass/ITO/poly(ethylenedioxythiophene)∶polystyrene sulphonate(PEDOT∶PSS)/PTB7∶PC71BM/electron extraction layer(EEL)/Al的器件结构研究了不同EEL对器件性能及光稳定性的影响。通过采用小分子有机材料Alq3与低功函数碱金属Ca作为EEL,发现由于Ca的活泼金属特性及不稳定性,以Ca作为EEL的聚合物太阳电池的初始效率在3d之后就下降了60%;而以Alq3作为EEL的器件在空气中放置一个月之后其初始效率仅下降30%。此外,以Alq3作为EEL的器件光伏效率完全比得上传统器件中以Ca作为EEL的光伏器件。研究结果表明,Alq3是一种潜在的长寿命聚合物太阳电池的EEL材料。     

Reveal the large open-circuit voltage deficit of all-inorganicCsPbIBr2 perovskite solar cells

Due to excellent thermal stability and optoelectronic properties, all-inorganic perovskite is one of the promising candidates to solve the thermal decomposition problem of conventional organic—inorganic hybrid perovskite solar cells (PSCs), but the larger voltage loss (V_loss) cannot be ignored, especially CsPbIBr₂, which limits the improvement of efficiency. To reduce V_loss, one promising solution is the modification of the energy level alignment between the perovskite layer and adjacent charge transport layer (CTL), which can facilitate charge extraction and reduce carrier recombination rate at the perovskite/CTL interface. Therefore, the key issues of minimum V_loss and high efficiency of CsPbIBr₂-based PSCs were studied in terms of the perovskite layer thickness, the effects of band offset of the CTL/perovskite layer, the doping concentration of the CTL, and the electrode work function in this study based on device simulations. The open-circuit voltage (V_oc) is increased from 1.37 V to 1.52 V by replacing SnO₂ with ZnO as the electron transport layer (ETL) due to more matching conduction band with the CsPbIBr₂ layer.     

Investigation on threshold voltage of p-channel GaN MOSFETs based on p-GaN/AlGaN/GaN heterostructure

The threshold voltage (V_th) of the p-channel metal-oxide-semiconductor field-effect transistors (MOSFETs) is investigated via Silvaco-Atlas simulations. The main factors which influence the threshold voltage of p-channel GaN MOSFETs are barrier height Φ_1,p, polarization charge density σ_b, and equivalent unite capacitance C_oc. It is found that the thinner thickness of p-GaN layer and oxide layer will acquire the more negative threshold voltage V_th, and threshold voltage |V_th| increases with the reduction in p-GaN doping concentration and the work-function of gate metal. Meanwhile, the increase in gate dielectric relative permittivity may cause the increase in threshold voltage |V_th|. Additionally, the parameter influencing output current most is the p-GaN doping concentration, and the maximum current density is 9.5 mA/mm with p-type doping concentration of 9.5×10¹⁶ cm^-3 at V_GS = -12 V and V_DS = -10 V.     

Fixed charge and interface traps at heterovalent interfaces between Si(1 0 0) and non-crystalline Al2O3–Ta2O5 alloys

Characterization by Auger electron spectroscopy (AES) and Fourier transformation infrared spectroscopy (FTIR) confirms (Ta₂O₅)_x(Al₂O₃)_1−x alloys are homogeneous pseudo-binary alloys with increased thermal stability with respect to end member oxides, Ta₂O₅ and Al₂O₃. Capacitance–voltage (C–V) and current density–voltage (J–V) data as a function of temperate show that the Ta d-states of the alloys act as localized electron traps, and are at an energy approximately equal to the conduction band offset of Ta₂O₅ with respect to Si.     

非晶硅锗电池性能的调控研究

采用射频等离子体增强化学气相沉积技术, 研究了非晶硅锗薄膜太阳电池. 针对非晶硅锗薄膜材料的本身特性, 通过调控硅锗合金中硅锗的比例, 实现了对硅锗薄膜太阳电池中开路电压和短路电流密度的分别控制. 借助于本征层硅锗材料帯隙梯度的设计, 获得了可有效用于多结叠层电池中的非晶硅锗电池. 关键词： 非晶硅锗薄膜太阳电池 短路电流密度 开路电压 带隙梯度     

Valence band electron tunneling in metal-oxide-silicon structures

Experimental results are presented for the substrate current appearing in thin oxide metal-oxide-silicon capacitors with a shallow n/p junction beneath the gate when a positive gate voltage in the tunneling regime is applied. The analysis of the current-voltage characteristics shows that for an oxide voltage drop lower than about 5 V the substrate current is due to electron tunneling from the silicon valence band. The dispersion relation in the energy range extending 3 eV below the oxide conduction band is determined from the voltage dependence of the current in the direct tunneling regime. An effective mass of about 0.8m_e is found near the edge of the oxide conduction band, while for lower energies a strong decrease of the effective mass is observed.     

Tuning transport coefficients of monolayer MoSi_2N_4 with biaxial strain

Experimentally synthesized MoSi_2N_4(Science 369 670(2020)) is a piezoelectric semiconductor. Here, we systematically study the large biaxial(isotropic) strain effects(0.90–1.10) on electronic structures and transport coefficients of monolayer MoSi_2N_4 by density functional theory(DFT). With a/a0 from 0.90 to 1.10, the energy band gap firstly increases, and then decreases, which is due to transformation of conduction band minimum(CBM). Calculated results show that the MoSi_2N_4 monolayer is mechanically stable in the considered strain range. It is found that the spin-orbital coupling(SOC) effects on Seebeck coefficient depend on the strain. In unstrained MoSi_2N_4, the SOC has neglected influence on Seebeck coefficient. However, the SOC can produce important influence on Seebeck coefficient, when the strain is applied,for example, 0.96 strain. The compressive strain can change relative position and numbers of conduction band extrema(CBE), and then the strength of conduction bands convergence can be enhanced, to the benefit of n-type ZT_e. Only about0.96 strain can effectively improve n-type ZT_e. Our works imply that strain can effectively tune the electronic structures and transport coefficients of monolayer MoSi_2N_4, and can motivate farther experimental exploration.     

65 nm互补金属氧化物半导体场效应和晶体管总剂量效应及损伤机制

对65 nm互补金属氧化物半导体工艺下不同尺寸的N型和P型金属氧化物半导体场效应晶体管(NMOSFET和PMOSFET)开展了不同偏置条件下电离总剂量辐照实验.结果表明:PMOSFET的电离辐射响应与器件结构和偏置条件均有很强的依赖性,而NMOSFET表现出较强的抗总剂量性能;在累积相同总剂量时,PMOSFET的辐照损伤远大于NMOSFET.结合理论分析和数值模拟给出了PMOSFET的辐射敏感位置及辐射损伤的物理机制.     

Radial and time resolved measurement of electron density in a copper vapour laser

The electron density (n_e) is determined by measuring the associated microscopic Stark effect on the Balmer emission lines of atomic hydrogen present as a trace in the laser active volume. We deduce the radial and temporal evolution of n_e and suggest the main physical processes leading to this evolution.     

硫钒铜矿化合物电子结构和电致变色特性的第一原理研究

基于密度泛函的第一原理赝势平面波方法,计算晶体结构、电子结构和光学性质,研究硫钒铜矿化合物Cu₃VS₄、Cu₃NbS₄和Cu₃TaS₄的电子输运及电致变色特性,探讨作为透明半导体材料应用于太阳能电池和电致变色器件的可能性.电子结构的计算表明这类化合物是间接带隙半导体,其电子能带的导带底和价带顶分别位于布里渊区的X点和R点.价带顶的电子本征态主要来自于Cu原子的d电子轨道,而导带底电子态主要来源于VB族元素原子的d电子轨道.能带结构、电荷布居分析、电子局域化函数和光吸收及反射谱的计算表明这些硫钒铜矿化合物属于极性共价半导体,具有较高的电荷迁移率和优良的电致变色特性,可应用于高效电致变色器件.     

含空位二维六角氮化硼电子和磁性质的密度泛函研究

基于密度泛函理论的第一性原理计算, 研究了含B原子空位(V_B), N原子空位(V_N), 以及含B–N键空位 (V_B+N)缺陷的二维氮化硼(h-BN)的电子和磁性质. 在微观结构上, V_B体系表现为在空位附近的N原子重构成等腰三角形, V_N体系靠近空穴的B 原子形成等边三角形, V_B+N体系靠近空穴处的B和N原子在h-BN平面上重构为梯形. 三种空位缺陷都使h-BN的带隙类型从直接带隙转变为间接带隙. V_B体系的总磁矩为1.0 μ_B, 磁矩全部由N原子贡献. 其中空穴周围的三个N原子磁矩方向不完全一致, 存在着铁磁性和反铁磁性两种耦合方式. 对于V_N 体系, 整个晶胞内的总磁矩也为1.0 μ_B, 磁矩在空穴周围区域呈现一定的分布. 关键词： 二维h-BN 空位 电子结构 磁性