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《湖北大学》 2017年
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基于二氧化硅胶体/碳点的荧光光子晶体薄膜的制备及性能研究

戴广超  
【摘要】:光子晶体的概念提出以来,由于光子晶体独特的光学特性以及在光学器件中的重要潜在价值,各种各样三维光子晶体的制备及应用吸引了越来越多学者的研究兴趣。其中,荧光光子晶体由于具有光子晶体光子禁带以及优异的荧光性能,受到科研工作者重点关注。荧光光子晶体制备中的关键问题是荧光源如何引入光子晶体。在荧光源方面,相对于传统荧光源的缺点,包括有机染料影响结构色彩、无机纳米晶体量子点有毒等。本论文采用碳点作为荧光源,碳点具有很多优势,比如合成简单、良好的生物相容性、无毒以及荧光稳定性好等。本论文设计了三种不同的负载方法将碳点引入到光子晶体中,制备的荧光光子晶体体现了多功能性,同时具备两种光学模式特征:1)基于反射模式的结构色彩;2)基于荧光模式的发光特性;进而利用其特征将其应用于金属离子检测和染料敏化太阳能电池的背反射层中。通过透射电子显微镜、扫描电子显微镜、光纤光谱仪以及荧光分光光度计等测试手段,对样品的形貌、成分、结构以及光学性能作了研究,得到了以下主要结果:(1)水热法-垂直沉积法制备荧光光子晶体薄膜。本部分工作首先采用水热法制备单分散二氧化硅胶体/碳点复合微球,再通过垂直沉积法制备荧光光子晶体薄膜。这种方法具有很多优点,在制备方面,合成简单、制备时间短;在性能方面,色彩鲜艳、具有很好的荧光性能。在这种方法中,碳点紧密包覆在二氧化硅微球表面,从而保证了荧光稳定性。荧光光子晶体薄膜作为染料敏化太阳能电池的背反射层时,可以将开路电压由0.75 V提高到0.77 V,短路电流由7.64 mA/cm~2提高到8 mA/cm~2,光电转换效率由4.13%提高到4.23%,可以提高2.24%的光电转换效率。(2)煅烧法-垂直沉积法制备荧光光子晶体薄膜。此部分工作中,首先利用煅烧法制备二氧化硅胶体/碳点复合微球,再通过垂直沉积法制备荧光光子晶体薄膜。此方法的优势在于:煅烧过程中,复合微球中的硅烷偶联剂组分会被碳化成碳点,碳点均匀分布在复合微球的表面和里面,从而保证薄膜荧光稳定性。煅烧后复合微球表面光滑不会影响其组装和荧光光子晶体薄膜的结构色彩。这种方法制备的荧光光子晶体薄膜具有鲜艳的结构色彩和优异的荧光性能,能够荧光检测金属离子和增强染料敏化太阳能电池的光电转化效率。在荧光检测金属离子时,金属离子溶液浓度在10 nmol/L至0.1 mol/L之间时,荧光强度衰减量与金属离子溶液浓度成良好的线性关系。制备的荧光光子晶体薄膜作为染料敏化太阳能电池背反射层时,可以将短路电流由7.19 mA/cm~2提高到7.45mA/cm~2,光电转化效率由4.13%提高到4.21%,可以提高1.94%的光电转换效率。(3)共组装和垂直沉积法制备荧光光子晶体薄膜。本部分工作首先分别制备出二氧化硅胶体和碳点溶液,然后将二氧化硅胶体和碳点通过垂直沉积法进行共组装制备荧光光子晶体薄膜。使用这种方法制备的荧光光子晶体薄膜不仅表现出鲜艳的结构色彩,薄膜也具有良好的荧光性能,相对于填充法,本方法改善了荧光物质在光子晶体薄膜中的均匀分布以及光学性质,如结构色彩和荧光强度。制备的荧光光子晶体薄膜可以以反射和荧光两种方式检测金属离子,荧光检测时,当三价铁离子的浓度在100 nM和1 mM之间时,铁离子浓度的增加量与荧光光子晶体薄膜的荧光强度衰减量有比较明显的线性关系,检测极限为0.1 nM;反射检测时,三价铁离子的浓度在1 nM和100μM之间时,反射峰的蓝移量与铁离子浓度的增加量成正比,并且荧光光子晶体薄膜反射检测时对三价铁离子表现出很高的选择性。此外,制备的荧光光子晶体薄膜作为染料敏化太阳能电池的背反射层时,可以将开路电压由0.67 V提高到0.69 V,短路电流由8.47 mA/cm~2提高到8.91 mA/cm~2,光电转化效率由4.02%提高到4.27%,可以提高6.22%的光电转换效率。
【学位授予单位】:湖北大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:O734;TB383.2

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