荧光光谱（Fluorescence Spectra） 光电转化效率测试（IPCE）
主要内容
1 荧光光谱的基本原理 荧光光谱仪的原理、性能测试及 操作 IPCE的原理及测试系统 QE和IPCE的区别及应用
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一、荧光光谱基本原理
荧光
• 荧光是辐射 跃迁的一种， 是物质从激 发态失活到 多重性相同 的低能状态 时所释放的 辐射
IPCE测试系统
Solar Cell Scan100 Crown tech.inc Newport 光源、单色仪、信号放大模 块、光强校准模块、计算机 控制和数据采集处理模块
通过用波长可调的单色光照射样 品，同时测量样品在不同波长的 单色光照射下产生的短路电流, 从而通过计算得到样品的IPCE
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QE和IPCE的区别及文献中应用
QE
荧光发射量子数与被 物质吸收的光子数之 比
IPCE
单位时间内外电路中 产生的电子数Ne与单 位时间内的入射单色 光子数Np之比
相同特性
表示光伏材料光 谱响应性能，即 在不同波长的光 子所产生的电子 -空穴对的能力， 并作为评价太阳 能电池效率、特 性的重要参数
激发
• 基态(S0)→ 激发态(S1、 S2激发态振 动能级)： 吸收特定频 率的辐射； 跃迁一次到 位
失活
• 激发态 → 基态：多种 途径和方式； 速度最快、 激发态寿命 最短的途径 占优势
荧光条件
• 它吸收光子 发生多重性 不变的跃迁 时所吸收的 能量小于断 裂其最弱的 化学键所需 要的能量 • 化合物结构 必须有荧光 基团
• 光电转化效率，即入射单色光子-电子转化效率 (monochromatic incident photon-to-electron conversion efficiency， 用缩写IPCE表示)，定义为单位时间内外电路中产生的电子数 Ne与单位时间内的入射单色光子数Np之比。 • 计算公式：IPCE(λ)=1240 * jp(λ)/Eλ(λ)
测量方法：相对法
• 用一已知其荧光量子产率的参比化合物在相同条件 下对照测定，并可通过公式计算目标化合物的荧光 量子产率： = s[Iεscs/(Isεc)]
参照物
• 已知、无自吸收、无浓度猝灭、在被测物所用溶 剂中可溶、易纯 化、稳定和对杂质不敏感的物质。 常用的参照物如罗丹明B和喹啉硫酸氢盐等。
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主 要 光 谱 参 数
吸收光谱：化合物的吸收光强与入射光波长的关系曲 线 激发光谱：让不同波长的激发光激发荧光物质使之发 生荧光，而让荧光通过固定波长的发射单色器照射到 检测器上，检测荧光强度变化。
发射光谱：固定激发波长(一般将其固定于激发波段 中感兴趣的峰位),扫描出的化合物的发射光强(荧光/ 磷光) 与发射光波长的关系曲线。
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失活的途径
失活：电子处于激发态是不稳定状态，容易返回基态，在这个过
程中通过辐射跃迁(发光)和无辐射跃迁等方式失去能量的过程。
失活途径 辐射跃迁 无辐射跃迁
荧光
磷光
系间窜越 内转换
外转换
振动弛豫
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雅布隆斯基分子能级图 内转换 S
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振动弛豫 内转换 系间窜越
S1 能 量
吸 收 S0 发 射 荧 光
量子产率 • 根据发射谱和激发谱选择感兴趣的发射波长范围和激 发波长，运用积分球分别测试加、减衰减片时的荧光 强度，然后应用软件进行数据处理得到量子产率
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紫外滤光片、可见滤光片、红外滤光片
注 意 事 项
要选择大小合适的狭缝
选择合适的扫描速度，得到平滑曲线。
光谱曲线需要应用校正曲线进行校正
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三、光电转化效率测试（IPCE） IPCE定义
激发波 长确定
• 重复2、3步循环扫描得到理想的光谱图
关机
• 保存数据，先关软件，再关光源最后关风扇和电源
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荧光寿命和量子产率的测试和数据处理
荧光寿命 • 根据发射谱和激发谱选择感兴趣的发射波长和激发波长， 测试荧光强度随时间的衰减曲线，同样需要数据进行校 正，然后应用origin软件进行作图和数据拟合得到寿命 结果
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荧光光谱性能测试
量子效率（QE）
• 荧光发射量子数与被物质吸收的光子数之比，或荧 光发射强度与被吸收的光强之比.一般，不随激发 光波长而改变. = If/Ia
荧光寿命（t） • 荧光强度衰减为初 始时的1/e所需要的 时间。ItI0e-kt • 激发态分子只以发 射荧光的方式丢失 能量：t=1/KF
液体：尽量使用透明 的玻璃化溶液；挥发 性剧毒溶剂的测试， 一定要有合适的防护； 易挥发、易变质的溶 液最好现配现测 ；样 品一般放在带盖石英 比色皿
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荧光光谱仪操作
开机 • 先开电源，再开风扇稳定后开灯源，再开主机，嘟嘟连续两声 后再开测试软件。
• 根据吸收谱中感兴趣的峰确定激发波长，选择合适的发射谱波 发射谱 长范围、滤光片、光路狭缝、扫描速度等进行发射谱的扫描。 • 根据发射谱中感兴趣的峰确定发射波长，选择合适的激发谱波 激发谱 长范围、滤光片、光路狭缝、扫描速度等进行激发谱的扫描
外量子效率
光电转化效率
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Qiong Sun, Yang Li, Xianmiao Sun. Improved Photoelectrical Performance of Single-Crystal TiO2Nanorod Arrays by Surface Sensitization with Copper Quantum Dots. ACS Sustainable Chem. Eng. 2013, 1, 798-804. 15
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二、荧光光谱仪的基本原理
在实验样品受到激发的 情况下，通过选择合适
的探测器和工作模式，
记录下发射光强与激发 源特性、样品特性以及 温度、时间、空间、能
量等相关特性之间的关
系，以此来更好的研究 或利用发光过程。
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样品准备
粉体和微晶：避免混 入诸如滤纸纤维、胶 块状固体：切成规则 水等杂质；样品应尽 形状，并进行抛光； 量保存在不会引入杂 尺寸和光洁度上将其 质又防潮避光的样品 制为同一规格；光轴 管；强光下不稳定的 （或 x,y,z 轴）的位置； 化合物，注意控制入 有自吸收特性的样品 射光的强度，避免破 要注意其对测试结果 坏样品；样品一般夹 的影响 在石英玻璃片进行测 试