SnO2基钙钛矿太阳能电池界面调控与性能优化

近十余年来,钙钛矿太阳能电池光电转换效率从3.8%提升至目前的25.5%,有望成为下一代商业用薄膜太阳能电池.然而,目前广泛使用的TiO₂电子传输层电子迁移率低、退火温度高、紫外光照稳定性差等特性使得TiO₂基钙钛矿太阳能电池性能,尤其是长期稳定性,面临巨大挑战.SnO₂由于良好的电子迁移率、适宜的能带结构、简单的低温溶液合成以及稳定的化学结构等优点成为替代TiO₂电子传输层的首选.目前,调控SnO₂/钙钛矿以及钙钛矿/空穴传输层界面是SnO₂基钙钛矿太阳能电池性能优化的关键.鉴于此,在详细介绍SnO₂电子传输层本体与表面,钙钛矿本体、晶界及表面缺陷类型及特征的基础之上,重点总结了SnO₂/钙钛矿、钙钛矿/空穴传输层界面调控及性能提升的研究进展.最后,针对SnO₂基钙钛矿太阳能电池器件界面调控与性能优化的研究趋势和发展方向做出展望.     

H2对HfO2衬底上等离子体增强化学气相沉积石墨烯的影响

HfO₂薄膜和石墨烯是用于制作石墨烯场效应晶体管的主要材料,而采用PECVD(等离子体增强化学气相沉积法)在HfO₂衬底上原位生长石墨烯是极具潜力的一种石墨烯制备方法,这种方法有助于降低石墨烯转移过程对石墨烯质量的影响,从而提高石墨烯场效应晶体管的性能。使用真空电子束蒸镀方法在重掺杂单抛硅片衬底上分别于50、150、250℃下沉积了100 nm厚的HfO₂薄膜样品;随后选用最优质量的HfO₂薄膜作为生长石墨烯的衬底,采用PECVD方法在温度为600℃、CH₄流速为4 sccm的条件下,以不同的H₂流速(0、5、10、15、20 sccm)原位生成石墨烯薄膜。结果显示,150℃下蒸镀的HfO₂薄膜粗糙度最低,表面最平整,同时也拥有最佳的介电性能。当H₂流速为10 sccm时,可获得少层石墨烯薄膜,此时的石墨烯薄膜缺陷最小,表面平整且连续性好。通过对HfO₂衬底上石墨烯的生长机理进行分析发现,H...     

Effect of La2Sn2O7 content on Ag-La2Sn2O7/SnO2 arc erosion behavior and mechanism

La₂ Sn₂ O₇/SnO₂ powder was synthesized by chemical co-precipitation method,and Ag-La₂ Sn₂ O₇/SnO₂ composites were prepared by hot-pressing sintering.The electrical resistivity,density,Brinell hardness and flexural strength of Ag-La₂ Sn₂ O₇/SnO₂ composites were measured.Moreover,the effect of La₂ Sn₂ O₇ content on the arc erosion beha...     

硼掺杂石墨烯对氢化镁吸放氢性能的影响

采用高温还原技术成功制备出B掺杂石墨烯,然后通过高能球磨法将MgH₂与B掺杂石墨烯相复合,研究了B掺杂石墨烯对MgH₂组织结构与吸放氢性能的影响及机理。结果显示：基于氧化石墨烯与硼酸的机械研磨与高温烧结,可实现氧化石墨烯的还原以及B原子在石墨烯中的掺杂;B掺杂石墨烯在MgH₂中的分散程度与其球磨时间密切相关;球磨6 h后,B掺杂石墨烯可实现在MgH₂中的均匀分散,MgH₂颗粒较同等球磨条件下的纯MgH₂而言明显细化且其尺寸相对均匀;相对于纯MgH₂而言,其初始放氢温度降低了25.2℃,且其吸放氢速率明显提升;其原因可能在于B掺杂石墨烯对MgH₂发挥了催化-限域协同改性作用。     

SiO2-B2O3-Al2O3助焊剂对粉末烧结Cu-C-SnO2多孔材料组织与性能的影响

采用常压烧结法制备了铜-石墨-氧化锡（Cu-C-SnO₂）复合多孔材料,对其物相组成和物理性能进行了分析测试,研究了SiO₂-B₂O₃-Al₂O₃系助焊剂对Cu-C-SnO₂多孔材料组织和性能的影响。结果表明,加入适量助焊剂有助于铜-石墨-氧化锡混合粉体烧结;助焊剂加入量（质量分数）在5%以下时,铜-石墨-氧化锡粉末烧结体的透气性和硬度随着助焊剂质量分数的增加而降低,粉末烧结体的导电性和烧结收缩率随着助焊剂质量分数的增加而升高;在730~770℃烧结,烧结温度对铜-石墨-氧化锡混合粉体的烧结工艺特性和烧结体性能影响不大。     

两步机械球磨法制备M/TiO2复合薄膜及光催化性能研究

采用两步机械球磨法制备了M/TiO₂（M = Al、Sn、Zn、Ti）双层复合薄膜,利用光学显微镜和X射线衍射仪分析了涂层的微观结构和相组成,测定了薄膜的光催化性能,研究了过渡层材质以及球磨时间对复合薄膜光催化性能的影响。研究表明,TiO₂粉体在球磨过程中的晶体结构未发生显著变化,保持了良好的光催化活性。金属过渡层Al、Sn以及Zn将显著削弱复合薄膜的光催化活性,Ti是复合薄膜的理想金属过渡层,制备的Ti/TiO₂复合薄膜具有优异的光催化性能。随着第二步球磨时间的延长,Ti/TiO₂复合薄膜的光催化性能逐渐降低,这是由于第二层薄膜表面TiO₂含量降低的原因所致。     

钒酸铋/二氧化钛-石墨烯宽光谱复合光催化剂的制备及性能

通过溶剂热法制备了具有可见光光催化活性的BiVO₄/TiO₂-石墨烯复合光催化剂.利用X射线粉末衍射、透射电子显微镜、紫外-可见漫反射光谱和荧光发射光谱对样品进行表征,复合光催化剂的催化活性以模拟太阳光条件下降解水溶液中亚甲基蓝来评价.结果表明:BiVO₄/TiO₂-石墨烯复合光催化剂在530-800 nm的可见光范围具有很强的吸收峰.石墨烯的引入不仅拓宽了光谱响应范围,而且使得BiVO₄和TiO₂粒子均匀地分散在石墨烯薄片上,能快速捕获并迁移电子,有效地提高了光生载流子的分离效率,从而提高其光催化活性.      

射频磁控溅镀掺杂铜对钛酸锌薄膜中相变化及微结构的影响

探讨了ZnTiO₃薄膜掺杂Cu元素对于薄膜性质、相变化与微结构之影响.实验是在一定温度下以射频磁控溅镀系统将铜沉积于ZnTiO₃陶瓷靶上,控制沉积于ZnTiO₃陶瓷靶上铜含量之后,再沉积掺杂铜的钛酸锌薄膜于SiO₂/Si基板上.成长出来的薄膜经由ESCA分析得知铜的质量分数分别为0.84%、2.33%和2.84%.从XRD分析常温下掺杂Cu的ZnTiO₃薄膜为非晶质态,经过600℃退火后,ZnTiO₃薄膜则由非晶质态转变成Zn₂Ti₃O₈结晶相,而未掺杂铜的ZnTiO₃薄膜在600℃退火时并没有结晶相产生.ZnTiO₃薄膜经过900℃退火后,Zn₂Ti₃O₈相分解成Zn₂TiO₄相和TiO₂相,且ZnTiO₃晶格常数因为Cu离子置换至Zn离子的位置有变小的趋势.由TEM分析证实Cu离子与Zn离子的置换,导致晶格应变产生双晶缺陷.经由XRD、SEM和TEM分析得知掺杂太多的铜会抑制TiO₂相的生成,而随着过多的Cu析出,晶体平均晶粒慢慢变小晶格应变也随之降低,以致晶格常数回复往原来晶格常数方向趋近.      

TiO2柱撑石墨烯复合材料的制备及光催化性能

通过水热反应合成了TiO₂柱撑石墨烯复合材料, 研究了TiO₂纳米颗粒及TiO₂柱撑石墨烯复合材料的制备以及光催化降解亚甲基蓝性能, 探讨了制备过程中水热反应时间、水热反应步骤对TiO₂纳米颗粒的影响, 并在紫外光下考察了上述两种材料对光催化性能的影响。结果表明, 利用两步水热法且反应时间为10 h时为制备复合材料的最佳条件, 在紫外光的照射下, TiO₂柱撑石墨烯复合材料在降解亚甲基蓝过程中显示出更高的光催化效率, 这项工作开辟了一条新的制备石墨烯–半导体复合材料的途径。     

氩离子溅射锡氧化物及焊料合金的光电子能谱探究

利用X射线光电子能谱(XPS)及深度剖析技术,定量研究了SnO和SnO₂在不同氩离子束能下化学损伤。0.5、1、2 keV的离子束能溅射后,SnO₂无明显化学损伤;而SnO则出现不同程度的还原,分别产生了7.0%、15.3%、20.6%的Sn单质。实验还表明,同离子束能不同电流下,Sn²⁺还原程度相差无几。因而利用XPS及深度剖析技术对Sn焊料进行表面分析时,须选用尽可能低的束能以减少化学损伤。定性讨论了Sn价带,4d和3d电子层的图谱特征,并确定了用Sn 3d5图谱进行Sn价态的定量分析。利用获得的Sn⁰、Sn²⁺、Sn⁴⁺图谱参数,以模拟波峰焊的锡铜焊料为例,定量分析了Sn价态随深度的变化,结果表明,氧化层最表面主要为SnO₂并逐步过渡到SnO。     

Zr-Cu薄膜生长及力学性能的分子动力学模拟

根据磁控溅射实验条件, 采用分子动力学方法, 在Si(100)面上模拟沉积了三种Zr_xCu_100-x(x=50, 70和90)合金薄膜.通过计算径向分布函数(RDF)及X射线衍射(XRD)分析了沉积薄膜的形貌结构, 并探讨了玻璃形成能力和五重局部对称性之间的关系.最后研究了沉积薄膜的力学性能, 及薄膜厚度对拉伸过程的影响.研究结果表明: Zr-Cu合金玻璃形成能力与五重局部对称性之间存在一定的相关性, 沉积玻璃薄膜比晶体薄膜表现出更好的延展性, 其中Zr₅₀Cu₅₀沉积玻璃薄膜比近共晶成分玻璃薄膜(Zr₇₀Cu₃₀)具有更大的拉伸强度; 沉积薄膜存在一定的尺寸效应, 薄膜相对厚度越小, 其拉伸强度越大.      

粉末烧结Cu-C-SnO2多孔材料摩擦磨损特性研究

铜-石墨复合材料是一种优良的导电耐磨材料,但铜与石墨润湿性很差,导致材料的耐磨性能不足。本文通过向原料中加入与石墨亲和性良好的SnO₂,利用粉末冶金的方法制得Cu-C-SnO₂多孔材料,研究了烧结温度及成分配比对烧结体孔隙率、物理特性及摩擦磨损性能的影响。结果表明：烧结体的孔隙率随烧结温度升高而降低,随石墨/SnO₂质量比增大而增大,随非金属/Cu质量比增大而减小;烧结体的密度、硬度、渗油率等与孔隙率密切相关,随孔隙率升高,密度和硬度呈降低趋势,渗油率呈上升趋势;但试样硬度受Cu₂O产生和Cu颗粒再结晶的影响而变化复杂,在烧结温度830℃附近出现突变。干摩擦条件下,试样摩擦磨损特性受材料硬度和石墨相自润滑作用等多重因素影响而变化复杂,随试样硬度和石墨含量的升高而降低;渗油后试样的摩擦磨损特性则主要受油膜润滑控制,与干摩擦相比,相对摩擦因数和磨损率均显著减小,试样磨损率随渗油率的增大而减小,但在石墨/SnO₂质量比0.155附近存在突变。     

电解液中Li2SO4对ZAlSi12合金微弧氧化膜特性的影响

采用微弧氧化技术在ZAlSi12合金表面制备氧化膜,研究了Li₂SO₄的加入对微弧氧化膜性能的影响.随着电解液中Li₂SO₄含量增加,试样表面氧化膜变厚且粗糙.X射线衍射分析表明,微弧氧化膜主要由Al₂O₃相和莫来石相组成.加入Li₂SO₄且经微弧氧化处理得到的试样耐腐蚀性能优于未经微弧氧化处理的试样.      

FeCrVTa0.4W0.4高熵合金氮化物薄膜的微观结构与性能

实验利用单靶射频磁控溅射技术,在单晶硅基底上,制备了两个系列FeCrVTa_0.4W_0.4高熵合金氮化物薄膜,即FeCrVTa_0.4W_0.4氮化物成分梯度多层薄膜和(FeCrVTa_0.4W_0.4)N_x单层薄膜,其中,多层薄膜用于太阳光谱选择性吸收薄膜。通过扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、纳米力学探针、原子力显微镜(AFM)、紫外?可见分光光度计、接触角测量仪和四探针测试台对FeCrVTa_0.4W_0.4高熵合金氮化物薄膜进行微观结构分析以及性能表征。结果表明:在不通入氮气时,薄膜为非晶结构,当氮气含量升高后,转变为面心立方固溶体结构;当表层氮气流量为15 mL·min?1时,FeCrVTa_0.4W_0.4氮化物多层薄膜及单层薄膜均具有最佳的力学性能,其中,多层薄膜的硬度为22.05 GPa,模量为287.4 GPa,单层薄膜的硬度为22.8 GPa,模量为280.7 GPa,随着表层氮气含量的继续增加,力学性能下降;FeCrVTa_0.4W_0.4氮化物成分梯度多层薄膜在300～800 nm波长范围内均具有太阳光谱选择吸收性,当氮化物薄膜层数较少时具有较好的疏水性;(FeCrVTa_0.4W_0.4)N_x单层薄膜随着氮气含量的增加,薄膜方块电阻增加。      

高温氧化协同原位掺硼提升金刚石薄膜的亲水性

用H₂、CH₄和B₂H₆气体作为气源,采用热丝化学气相沉积技术在单晶硅衬底上分别制备纯金刚石膜和含硼金刚石薄膜,然后在600~800℃高温氧化。通过扫描电镜、拉曼光谱及X射线衍射仪对金刚石膜层的形貌和成分进行表征,用常温接触角测试仪对其亲水性进行表征,研究高温氧化协同原位掺硼对金刚石薄膜亲水性的影响。结果表明,随高温氧化温度升高,膜层逐渐被刻蚀至出现微孔形貌,其中纯金刚石膜层在700℃下氧化后,接触角从68.1°降低至21.5°,膜层亲水性提高。随掺硼浓度提高,微孔逐渐消失,在V(H2):V(CH₄):V(B₂H₆)=97:3:0.4条件下制备的掺硼金刚石膜,并在800℃氧化处理后,具有最小接触角14.1°。在原位掺硼和高温氧化的协同作用下,膜层成分发生改变,同时金刚石完美构型出现缺陷,微孔形貌使金刚石膜层的表面能增大,从而有效提高金刚石薄膜的亲水性。     

自支撑二维Ti3C2Tx(MXene)薄膜电化学性能

采用LiF?HCl混合溶液刻蚀法刻蚀Ti₃AlC₂得到Ti₃C₂T_x(MXene)胶体溶液,通过真空抽滤法抽滤MXene胶体溶液得到柔性MXene薄膜。使用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、能量色散谱(EDS)和X射线光电子能谱(XPS)等方法表征MXene的物相、形貌及化学元素,并采用循环伏安、恒电流充放电、交流阻抗法等电化学测试手段研究MXene薄膜电极的电化学性能。研究显示:当电解液为H₂SO₄,MXene薄膜的厚度为6.6 μm时,在5 mV·s?1扫速下质量比电容达到228 F·g?1;同时随着扫速从5 mV·s?1提升至100 mV·s?1时,电容保持率为51%,是40.2 μm厚度MXene薄膜电极的3倍。该研究展示酸性电解液和较薄的薄膜厚度有利于提高MXene材料基超级电容器的性能。      

自组织纳米复合薄膜BiFeO3-CoFe2O4的微结构与相成分

采用先进电子显微术在原子尺度研究了(001)单晶SrTiO₃衬底上生长的纳米复合薄膜0.65BiFcO₃-0.35CoFe₂O₄的组织形态以及界面结构.BiFeO₃(BFO)和CoFe₂O₄(CFO)两相在外延生长过程中自发相分离,形成自组织的复合纳米结构.磁性尖晶石CFO呈方块状均匀分布于铁电钙钛矿BFO基体中,并沿[001)1]方向外延生长,形成垂直的柱状纳米结构.两相具有简单的立方-立方取向关系,即[001]_BFO//[001]_CFO和(100)_BFO//(100)_CFO,且界面为{110}晶面.薄膜表面起伏不平,形成CFO{111}小刻面而BFO则为平整的(001)表面.能谱分析结果表明各相成分均匀分布并无明显的元素互扩散发生.