斯托克斯位移及其在太陽能光伏器件中的應(yīng)用

【摘要】：一般的熒光物質(zhì),比如熒光染料、量子點等,在其光吸收-發(fā)射的過程中,都會產(chǎn)生斯托克斯位移現(xiàn)象。熒光分子的吸收光能量通常高于發(fā)射光能量,兩者的能量之差造成的光譜移動稱之為斯托克斯位移。當(dāng)熒光分子的吸收光譜與發(fā)射光譜部分重疊時,熒光分子發(fā)出的部分熒光在其傳導(dǎo)過程之中還會被熒光分子再次吸收,從而產(chǎn)生自吸收的問題。對于在光波導(dǎo)中傳播的熒光而言,自吸收損耗會隨著波導(dǎo)長度增加而增加,直接影響熒光在光波導(dǎo)中的傳輸效率與光譜位置。 熒光太陽能集光器是一種利用光波導(dǎo)的熒光傳導(dǎo)功能來進(jìn)行太陽光收集的光子學(xué)器件,熒光分子的斯托克斯位移對其太陽光的利用效率有著顯著的影響；而晶體硅光伏組件封裝用EVA熒光薄膜則通過利用熒光的斯托克斯位移來進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換,從而提高晶體硅光伏組件光電轉(zhuǎn)換效率。本論文工作以提高兩種太陽能光伏器件效率為目標(biāo),研究了斯托克斯位移對熒光波導(dǎo)中熒光過程和傳輸性質(zhì)的影響,并發(fā)展了控制斯托克斯位移和提高光伏器件效率的新方法。主要內(nèi)容和結(jié)果如下： 一、熒光表面涂層圓柱形太陽能集光器(cylindrical coated luminescent solar concentrator, CC LSC)理論模型及其相關(guān)理論計算。CC LSC的熒光層位于圓柱體的表面,而內(nèi)部則是透明沒有熒光物質(zhì)摻雜的波導(dǎo)材料,而傳統(tǒng)的圓柱形熒光太陽能集光器則將熒光物質(zhì)摻雜在圓柱體內(nèi)。在給定等價吸光度和幾何增益的情況下,CC LSC的自吸收概率rs和基質(zhì)吸收損耗都比傳統(tǒng)的圓柱形熒光太陽能集光器大。但是,由于CC LSC的熒光發(fā)射點都位于圓柱體表面的原因,其對熒光的束縛效率較大,較大的熒光束縛效率帶來的增益抵消了較大的自吸收概率和基質(zhì)吸收損耗帶來的損耗,結(jié)果使得以R6G這種自吸收損耗較大的熒光染料為熒光物質(zhì)時,在給定等價的吸光度和幾何增益的情況下,d/R=0.01的CC LSC的光電轉(zhuǎn)換效率是傳統(tǒng)的圓柱形熒光太陽能集光器的光電轉(zhuǎn)換效率1.17-1.48倍。這種CC LSC設(shè)計可以有效地提高太陽能集光器的光電轉(zhuǎn)換效率,為制備高效的熒光太陽能集光器提供了一種有效的方法。 二、零自吸收損耗熒光太陽能集光器的制備與表征。我們使用具有大斯托克斯位移移的稀土配合物(EuTT)為熒光物質(zhì),制備了EuTT熒光太陽能集光器。三于EuTT分子的熒光過程是通過配體向稀土離子來進(jìn)行傳遞的,所以其在具有大吸收界面與可調(diào)吸收范圍的同時,還具有比其它熒光物質(zhì)較大的斯托克斯位移,具有零自吸收。我們測試了EuTT熒光太陽能集光器在AM1.5G下不同輻照面積時Ⅰ-Ⅴ性能的變化和外部量子效率變化,通過與文獻(xiàn)中報道的各種熒光太陽能收集器的實驗結(jié)果和理論模擬結(jié)果對比,發(fā)現(xiàn)設(shè)計和制備的EuTT熒光太陽能集光器具有零自吸收損耗特點。 三、高效稀土配合物摻雜EVA增效薄膜對多晶硅光伏組件的增效。利用浸漬法制備了EuTT EVA薄膜與EuTD EVA薄膜,通過研究它們的吸收光譜對其優(yōu)化為多晶硅光伏組件帶來的增效效果的影響,建立了熒光物質(zhì)的吸收光譜的方法。實驗中還發(fā)現(xiàn)：對于多晶硅光伏組件,理想的熒光下轉(zhuǎn)換物質(zhì)的吸收波長應(yīng)小于390nm,發(fā)射波長大于450nm,沒有自吸收損耗以及擁有接近100%的熒光量子效率。實驗結(jié)果表明：EuTT滿足上述條件,使用ETT EVA薄膜代替普通EVA薄膜制備的多晶硅光伏組件的光電轉(zhuǎn)換效率提高了0.42%。通過成本核算,發(fā)現(xiàn)EuTT EVA薄膜為多晶硅光伏組件帶來的增效值可以使得多晶硅光伏組件發(fā)電成本價格從￥6.00/Wp降到￥5.86/Wp。 【關(guān)鍵詞】：斯托克斯位移 自吸收 熒光太陽能集光器 圓柱形 稀土配合物 光伏 熒光
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號】：O644.1;TK513
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 第1章 緒論11-43
• 1.1 引言11-14
• 1.2 斯托克斯位移在熒光太陽能集光器中的應(yīng)用14-33
• 1.2.1 熒光太陽能集光器簡介14-20
• 1.2.2 熒光太陽能集光器的研究進(jìn)展20-26
• 1.2.3 斯托克斯位移在熒光太陽能集光器的作用26-28
• 1.2.4 熒光太陽能集光器中斯托克斯位移的控制機(jī)理28-33
• 1.3 斯托克斯位移在光伏組件熒光下轉(zhuǎn)換增效薄膜中的應(yīng)用33-37
• 1.3.1 光伏組件用熒光下轉(zhuǎn)換增效薄膜簡介33-35
• 1.3.2 熒光下轉(zhuǎn)換增效薄膜的研究進(jìn)展35-37
• 1.4 本文研究內(nèi)容37-38
• 參考文獻(xiàn)38-43
• 第2章 表面熒光涂層圓柱形熒光太陽能集光器理論模型43-61
• 簡稱43
• 2.1 引言43-45
• 2.2 CC LSC理論模型45-48
• 2.3 損耗因子計算與討論48-56
• 2.3.1 CC LSC與CD LSC逃逸錐面損失比較48-49
• 2.3.2 CC LSC與CD LSC自吸收概率比較49-52
• 2.3.3 CC LSC與CD LSC基質(zhì)吸收損耗比較52-53
• 2.3.4 CC LSC與CD LSC光電轉(zhuǎn)換效率比較53-56
• 2.4 小結(jié)56-58
• 參考文獻(xiàn)58-61
• 第3章 零自吸收損耗稀土配合物熒光太陽能集光器61-79
• 3.1 引言61-63
• 3.2 實驗部分和理論模擬63-67
• 3.2.1 Eu(TTA)_3(TPPO)_2的性質(zhì)63-64
• 3.2.2 以Eu (TTA)3(TPP0)2為勞光物質(zhì)的LSC的制備64
• 3.2.3 以EuTT為熒光物質(zhì)的LSC的Ⅰ-Ⅴ性能和外部量子效率性能測試64-65
• 3.2.4 LSC的外部量子效率的理論模擬65-67
• 3.3 結(jié)果與討論67-74
• 3.3.1 吸收和熒光光譜67
• 3.3.2 AM1.5G光源下EuTT LSC體系的Ⅰ-Ⅴ性能67-72
• 3.3.3 LSC的外部量子效率性能72-74
• 3.4 小結(jié)74-75
• 參考文獻(xiàn)75-79
• 第4章 高效稀土配合物摻雜EVA薄膜增效晶體硅光伏組件79-99
• 4.1 引言79-81
• 4.2 實驗部分81-82
• 4.2.1 熒光下轉(zhuǎn)換薄膜(LDS薄膜)的制備81
• 4.2.2 LDS薄膜封裝多晶娃光伏組件的制備81
• 4.2.3 多晶娃光伏組件光電性能的測試81-82
• 4.3 結(jié)果與討論82-94
• 4.3.1 浸漬法制備熒光EVA薄膜82-85
• 4.3.2 熒光EVA薄膜對多晶硅光伏組件的增效85-91
• 4.3.3 多晶硅光伏組件增效用LDS熒光物質(zhì)吸收光譜的優(yōu)化91-94
• 4.4 成本核算94
• 4.5 小結(jié)94-96
• 參考文獻(xiàn)96-99
• 在讀期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與取得的其他研究成果99-101
• 致謝101-102

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