摘要：半导体光电化学制氢是一种重要的、有前景的太阳能应用技术.其产氢效率主要取决于光生载流子的产生、分离和传输效率.深入理解光生载流子的动力学过程对于设计高效的太阳能产氢器件有重要的指导意义.光电化学和瞬态吸收光谱技术是研究光催化反应微观动力学和机理的强有力手段.本文介绍作者应用这些技术在半导体光电化学制氢方面所取得的部分最新研究结果,并对存在的问题和今后研究重点提出了一些看法.

摘要：量子点(QD)作为一种新型的半导体纳米发光材料,由于其独特的光学性质,如发光颜色可调、尺寸可调、激发光谱宽和发射光谱窄等优点,自被发现以来一直备受关注。相比于单量子点而言,核/壳量子点更为优异的光学性能使其成为光伏器件应用中的理想材料,例如在量子点敏化太阳能电池中,Ⅰ型核/壳量子点太阳能电池器件表现出更高的稳定性和转换效率。然而,界面电荷转移和电荷复合过程如何影响器件性能一直是大家关注的焦点,相关方面认知的匮乏阻碍了量子点光伏器件的进一步发展。为了对电荷转移(CT)和复合过程有更加清晰的认识,通过利用飞秒时间分辨瞬态吸收(TA)光谱和量子化学计算相结合的方法,对Ⅰ型CdSe/ZnS核/壳量子点和三种量子点-电子受体分子(如1-氯蒽醌(1-CAQ)、蒽醌(AQ)和甲基紫(MV^(2+)))复合物的载流子动力学进行了全面而细致的研究。通过光谱分析表明,QD-MV^(2+)复合物发生了最快的电子转移(ET)和俄歇复合(AR)过程,并且ET速率与AR速率呈正相关关系。此外,根据Marcus ET理论和密度泛函理论计算,证明了电子受体的带隙和给受体之间的能级差作为驱动力是共同影响ET速率的关键因素。该研究为电子受体的选择提供了新的见解,对光伏器件的改进设计具有重要的指导意义。

摘要：抑制扭转分子内电荷转移(TICT)的形成能够显著增强发光材料的荧光强度和光稳定性,然而,目前缺乏准确预测TICT存在的方法。本文基于Kamlet-Taft理论,通过稳态/瞬态吸收光谱结合量化计算,对N,N-二甲基-6-丙酰-2-萘胺(PRODAN)在不同溶剂中的激发态动力学进行了研究。稳态光谱表明,PRODAN氢键复合物的斯托克斯红移主要依赖溶剂极性和供氢能力。瞬态吸收光谱表明,快时间τ_(1)和τ_(2)归属为分子内电荷转移和TICT形成过程,而慢时间τ_(3)和τ_(4)归属为溶剂化和荧光辐射过程。此外,结果表明极性和供氢能力的增大会加快PRODAN氢键复合物的动力学过程。计算表明,在较高极性且强供氢能力的甲醇溶剂中能形成稳定的TICT态。研究结果为荧光探针分子结构设计和溶剂选择提供了一定的指导意义。

摘要：结合稳态和时间分辨光谱技术,研究了CdSe量子点与富勒烯C_(60)构成的模型太阳能电池体系中,荧光发射猝灭以及基态漂白恢复的动力学过程,发现二者间的荧光猝灭是由CdSe量子点与C_(60)间的光致电子转移所引起的,并且电子转移的速率随着量子点粒径的增大而减小:4.3×10^(9)s^(-1)(3.0 nm),1.1×10^(9)s^(-1)(3.5 nm),0.60×10^(9)s^(-1)(4.0 nm).该结果为设计、构筑以CdSe量子点为中心的光电转化体系,以及提高其光电转化效率提供了实验依据.

摘要：利用多维度的泵浦探测技术来研究Fe掺杂氮化镓(GaN∶Fe)晶体的超快瞬态非线性光学响应和基于Fe缺陷的宽带载流子动力学机制。相位物体(PO)泵浦探测实验结果表明,载流子折射动力学曲线相较于吸收表现出明显的回复,结合超快瞬态吸收光谱实验证明这源于Fe缺陷态的宽带吸收。此外,瞬态吸收响应与载流子俘获速率均可通过Fe含量进行大幅调控,吸收幅值和载流子俘获寿命分别随着Fe含量的增加而增大和缩短。根据瞬态光学非线性结果,提出了基于Fe缺陷不同电荷态下的激发与俘获模型,结合全局分析和速率方程获得了GaN∶Fe的载流子俘获机理与重要的Fe缺陷俘获速率和光吸收截面。GaN∶Fe中可调控的载流子寿命和超宽带的吸收光谱对光开关、光限幅器件、光电探测器等光电器件的设计和开发有着十分重要的意义。

摘要：本文通过调控合成构建了两种类型的铜离子掺杂金属有机框架(MOF)材料UiO-66-NH2:一种是Cu^2+离子浸渍在MOF孔隙中所形成的Cu@UiO-66-NH2,另一种则是Cu^2+离子部分取代Zr-O团簇中的Zr^4+离子所形成的双金属中心Cu-UiO-66-NH2.超快光谱与动力学表征表明:与未掺杂的MOF相比,这两个铜离子掺杂的MOF体系均促进了与LCCT态相关的弛豫动力学,其促进程度的顺序为Cu-UiO-66-NH2>Cu@UiO-66-NH2>UiO-66-NH2;这与它们在可见光光催化析氢活性测试中所观察到的趋势一致.该工作揭示了Zr基MOF体系中的铜离子掺杂位置效应及相关动力学,表明可在类似MOF体系中通过合理设计金属掺杂的具体位置来促进光致电荷分离、抑制有害的电荷复合,有利于提高MOF体系的光催化性能.

摘要：近年来,有机-无机范德瓦尔斯异质结由于其低成本加工和高性能而在光电应用领域引起了极大的关注.无机的二维材料具有光暗电导比高、载流子迁移率高、稳定性高以及使用寿命长等优点,但是其吸收带窄、可选材料较少、生产成本高;而有机材料具有低成本、透明、柔性、重量轻和易加工等优点,但其介电常数低、载流子迁移率低.如果通过合理的界面设计将二者相结合,扬长避短,有望获得更加优良的光电性能.目前国际上已有多个研究组在这个领域进行了探索性的研究,主要集中在材料的探索和器件功能性的开发,但是其背后的物理原理还不清晰.而微观机理的研究离不开先进的表征技术和测量方法的发展,因此本文旨在总结目前该领域研究进展的基础上,重点介绍有机-无机范德瓦尔斯异质结界面光电子学的表征方法,主要集中在以下3个方面:界面处材料的结构与分子表征、电子结构与局域态表征和微观动力学过程.此外,还针对该领域存在的问题提出了潜在的表征手段,进一步讨论了该领域可能的发展方向.