载流子注入型碳基量子点修饰表面有序CunX/ZnO(X=O，S)基透明导电薄膜的研究

In the transparent conductive materials field, how to improve the conductivity with the high transmittance is a significant researching for the energy materials and smart windows. As known, there always conflict between the transmittance and the conductivity. In the project, the research is based on balancing the transmittance and conductivity, that with the transmittance of 85%, how to enhance the conductivity of the carriers injection type carbon based quantum dots modified surface ordered CunX/ZnO(X=O，S) based transparent photosensitive film from 10-1S∙cm-1 to 105S∙cm-1, so that meet the requirement of the application. In this study, the up-conversion luminescence and high quantum yield of the carbon quantum dots and the surface ordered CunX nano arrays are used to improve the efficiency of solar energy at the stage of high transmittance, the heterojunctions are used to improve the generation, transmission and injection of the photon-generated carriers. This project optimize the transparent conductive films base on the band theory and optical interference theory, exploring the mechanism of the generation, transmission and injection of the photon-generated carriers via the adjusting of the up-conversion luminescence of the carbon quantum dots, ordered CunX nano arrays and the interface of the heterojunction. This project would provide the theoretical and experimental foundation for its application in transparent conductive fields.

透明导电材料，在确保透过率的情况下提高电导率，对于发展能源材料和智能窗口具有重要意义。众所周知，透明性和导电性存在着矛盾性。本项目围绕如何平衡高透明性和高导电性的相关问题开展，在确保透过率大于85%前提下，使载流子注入型碳基量子点修饰表面有序CunX/ZnO（X=O，S）基透明导电薄膜的电导率，从初始ZnO薄膜的10-1S∙cm-1量级提高到105S∙cm-1量级，达到实际应用需求。以碳基量子点上转换性能、高量子产率及有序CunX纳米阵列，在确保透过率的情况下提高光能利用率，以异质结提高光生载流子产生、输运和注入效率，最终达到高透明性和导电性的目的。本项目以透明导电为目标，能带理论、光学干涉理论为指导，通过对碳基量子点上转换荧光、表面有序阵列和异质结界面的调控及光电性能的研究，深入探索上述因素对载流子产生、输运和注入效率的影响，优化材料的设计，为其在透明导电领域实用化提供理论依据和实验基础

高效低成本地开发太阳能是本领域的热点问题。利用透明光电器件，在确保采光的同时，高效地将太阳能转换为电能，被认为是重要实现途径。本项目在确保透明性的前提下，针对如何提高光电性能开展了较为系统的研究。具体研究包括以下几方面：（1）以透明为前提，以pn结为核心，通过能级匹配和载流子匹配，构筑了Cu2O/ZnO基等透明pn结，（2）以能级过渡和载流子匹配为核心，引入量子点或纳米层作为双功能过渡层，构筑了Cu2O/CdS QDs/ZnO基等透明pn结，（3）扩展光谱响应范围以提高太阳能量利用率，如引入具有上转换性能的Tm:CeO2 QDs和ZnO纳米阵列等，（4）通过有序阵列和柔性衬底，在提高透明性的同时增加载流子输运效率，实现了N-Cu2O/SnO2柔性透明光电器件，（5）以能级结构为指导，以载流子异质结界面输运和固/液界面输运-扩散为核心，相继构筑核壳结构异质结和引入HER/OER助催化剂，有效提升了光催化HER/OER性能及全解水性能。研究表明，光电性能主要取决于载流子输运性能。在保持85%透明性前提下，通过过渡层修饰、有序阵列修饰等，最终获得高光电转换性能的透明pn结器件，例如Cu2O/ZnO体系，通过量子点过渡层修饰，性能提升超过100倍；Cu2O基体系，通过有序阵列和元素掺杂，性能提升超过1000倍，还实现了柔性导电；ZnO基体系，通过有序阵列和过渡层修饰，性能提升超过10000倍；SnO2基体系，通过量子点、有序阵列和过渡层修饰，性能提升超过10000倍。对于光解水制氢方面，例如TiO2/Mn0.2Cd0.8S体系，通过核壳异质结的构筑，使得制氢性能提升到5.8 mmol/g∙h；CdS/g-C3N4体系，通过Pt/MnOx助催化剂的引入，使得全解水制氢性能提升至1.3 mmol/g∙h。.本项目执行过程中所产生的结果，部分已经以论文形式发表，共发表SCI论文25篇，其中有2篇论文进入ESI高被引，1篇论文成为Cover，在领域内具有一定的影响力。尤其是透明导电方面的研究成果，正在进入企业应用研究。期间共培养了14位硕士研究生，5位已经毕业，其中李施同学获得浙江省优秀硕士学位论文。授权发明专利1项。