基于GaAs太陽能電池的NaYF_4稀土摻雜耦合對下轉(zhuǎn)換的研究

【摘要】：太陽能是無窮的，但由于太陽能電池轉(zhuǎn)換成本較高和效率低下,使開發(fā)使用的太陽能與實際蘊藏量存在巨大差異。歐洲聯(lián)合研究中心(JRC)預測，在21世紀太陽能光伏發(fā)電將占據(jù)世界能源消費的重要席位，并成為世界能源供應主體。 太陽能轉(zhuǎn)換成電能過程中能量損失的主要原因之一是光譜失配。迄今為止，用改進光譜失配來提高太陽能電池效率的共同特點：在AM1中窄帶c-Si(Eg=1.1ev)太陽能電池，所以受主都是Yb~(3+)(~(-2)F_(7/2),980nm)。GaAs基太陽能電池具有高轉(zhuǎn)換效率，抗宇宙射線等特點,成本雖高但被廣泛用于衛(wèi)星，飛船等空間飛行器上。本論文首次提出了對AM0中紫外光子進行量子剪裁來調(diào)整GaAs (Eg=1.43ev,867nm)基太陽能電池與太陽光譜的失配，并在全新的施主-受主耦合對上實現(xiàn)了量子剪裁。在外太空AM0中有很強的紫外線輻射，因此將一個紫外光子剪裁成兩個都能被GaAs基太陽能電池直接吸收的兩個低能光子，理論上可達到200%的量子效率將大大地提高GaAs基太陽能電池對外太空高能紫外光的利用效率，有效提高GaAs基太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率。這方面的研究在國內(nèi)還是首次報道。本論文主要研究內(nèi)容有： 1首次在NaYF_4∶Tm~(3+)，Er~(3+)耦合對中發(fā)現(xiàn)了適于GaAs基太陽能電池的量子剪裁現(xiàn)象，計算了最大量子效率達到141%。用水熱法制備了NaYF_4∶Tm~(3+)，Er~(3+)共摻雜樣品，用291nm激光即真空紫外光激發(fā)Tm~(3+)的1I6能級，在Tm~(3+)(~3I_6→~1G_4)和E r~(3+)(~4I_(9/2)→~4I_(15/2))間通過交叉弛豫過程進行能量轉(zhuǎn)化，從而實現(xiàn)了Tm~(3+)的~1G_4→~3H_6(476nm)和E r~(3+)的~4I_(9/2)→~4I_(15/2)(796nm)的發(fā)光，都能被GaAs基太陽能電池有效吸收。對~1G_4→~3H_6躍遷衰減測量,計算了Er~(3+)不同摻雜時量子效率。此實驗證明了用改進光譜失配來提高GaAs基太陽能電池效的率理論可行性。 2首次在NaYF_4∶Tb3+，Er~(3+)耦合對中實現(xiàn)了將真空紫外光剪裁成一個藍光和一個近紅外光子，最大量子效率達到188%，接近理論極限200%。并對能量傳遞機理做了詳細分析。用固態(tài)燒結(jié)法制備了NaYF_4∶Tb~(3+)，Er~(3+)微晶，用294nm激光激發(fā)Tb~(3+)的5L1能級，能量轉(zhuǎn)換通過Tb~(3+)(5L1→5D4)到Er~(3+)(4I15/2→4I9/2)間交叉弛豫過程，剪裁成Er~(3+)(4I9/2→4I15/2)800nm和Tb~(3+)(5D4→7F6)470nm兩個低能光子，它們都能被GaAs太陽能電池有效地吸收。Tb3+施主間的能量遷移可以近似地用擴散模型處理，Tb3+-Er~(3+)對之間能量傳遞的初始過程發(fā)現(xiàn)，偶極-偶極相互作用占據(jù)主導地位。分析得Tb~(3+)(5L1→5D4)到Er3+(4I5/2→4I9/2)的能量傳遞過程是近共振能量轉(zhuǎn)換。 3合成了不同尺寸的六角相粒子。采用水熱反應以檸檬酸鈉為螯合劑合成六角NaYF_4:Tb~(3+), Er~(3+)微晶。對影響合成微晶樣品的形貌、尺寸、結(jié)構以及下轉(zhuǎn)換發(fā)光性質(zhì)的因素進行了分析，包括Fˉ離子的量、檸檬酸的比例、水熱反應溫度和水熱時間等。研究發(fā)現(xiàn)，過量的Fˉ離子可以在較低溫度下獲得結(jié)晶性較好的微晶；檸檬酸分子與稀土陽離子強的螯合作用，有效地調(diào)節(jié)了微晶的生長速度，相變時間和晶核不同晶向的生長速度；用熱溶劑法以油銨作配體/溶劑合成六角相NaYF_4: Tb~(3+), Er~(3+)納米晶體，研究了溫度和配體對晶相轉(zhuǎn)換溫度，粒子的成核和生長的影響。合成純凈六角相樣品，粒子分散性好，尺寸均勻，粒徑12nm。 4研究了六角相NaYF_4微晶與立方相納米晶中晶相對Tb~(3+)-Er~(3+)耦合對下轉(zhuǎn)換的影響。六角相熱力學穩(wěn)定和有序結(jié)構有利于量子剪裁過程發(fā)生，而立方相結(jié)構沒有發(fā)現(xiàn)量子剪裁現(xiàn)象。對比294nm和355nm激發(fā)，下轉(zhuǎn)換發(fā)光的實現(xiàn)是通過一個交叉弛豫過程完成的。同時分析了六角相利于發(fā)光的機理。 【關鍵詞】：太陽能電池 光譜失配 量子剪裁 稀土耦合對 晶相
【學位授予單位】：中國科學院研究生院（長春光學精密機械與物理研究所）
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2012
【分類號】：TM914.4;O469
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 第1章 緒論13-33
• 1.1 引言13-19
• 1.2 太陽能電池中的能量損耗機制19-28
• 1.3 上轉(zhuǎn)換和下轉(zhuǎn)換在太陽能電池中模型的建立28-31
• 1.4 本論文研究主要內(nèi)容及意義31-33
• 第2章 稀土離子發(fā)光相關理論33-51
• 2.1 稀土離子光譜性質(zhì)相關理論33-40
• 2.1.1 稀土離子的電子組態(tài)33-37
• 2.1.2 稀土離子 f-f 躍遷，f-d 躍遷和電荷遷移的基本理論37-38
• 2.1.3 輻射與非輻射躍遷38-40
• 2.2 能量傳遞40-45
• 2.3 下轉(zhuǎn)換發(fā)光機制45-51
• 第3章 實驗方法與檢測手段51-57
• 3.1 稀土摻雜熒光粉的制備方法51-54
• 3.1.1 高溫固相法51-52
• 3.1.2 水熱/溶劑熱法52-53
• 3.1.3 溶膠-凝膠法53
• 3.1.4 高溫熱分解法53-54
• 3.1.5 低溫燃燒合成法54
• 3.2 樣品檢測與表征54-57
• 3.2.1 X射線衍射分析測試54-55
• 3.2.2 掃描電鏡分析55
• 3.2.3 拉曼光譜性質(zhì)測試55-56
• 3.2.4 熒光光譜和熒光壽命測試56-57
• 第4章 NaYF_4稀土摻雜耦合對下轉(zhuǎn)換發(fā)光57-71
• 4.1 NaYF_4 :Tm~(3+),Er~(3+)耦合對的下轉(zhuǎn)換發(fā)光研究57-63
• 4.1.1 實驗部分57-58
• 4.1.2 Tm~(3+), Er~(3+)能級圖與發(fā)光光譜分析58-60
• 4.1.3 能量轉(zhuǎn)換效率分析60-63
• 4.1.4 總結(jié)63
• 4.2 NaYF_4: Tb~(3+),Er~(3+)耦合對的下轉(zhuǎn)換發(fā)光研究63-71
• 4.2.1 實驗部分63-64
• 4.2.2 Tb~(3+)，Er~(3+)的能級圖和光譜分析64-66
• 4.2.3 能量傳遞66-70
• 4.2.4 總結(jié)70-71
• 第5章 六角相NaYF_4晶體的控制合成與晶相對下轉(zhuǎn)換的影響71-95
• 5.1 水熱法制備NaYF_4: Tb~(3+),Er~(3+)納米粒子71-80
• 5.1.1 實驗部分72
• 5.1.2 實驗參數(shù)對合成過程影響72-79
• 5.1.3 總結(jié)79-80
• 5.2 NaYF_4: Tb~(3+), Er~(3+)樣品的熱溶劑法合成80-87
• 5.2.1 實驗部分80
• 5.2.2 納米晶體的形態(tài)和結(jié)構80-82
• 5.2.3 溫度和配體對合成六方相NaYF_4: Tb~(3+), Er~(3+)晶相的影響82-86
• 5.2.4 總結(jié)86-87
• 5.3 NaYF_4微晶與納米晶中晶相對Tb~(3+)- Er~(3+)耦合對下轉(zhuǎn)換的影響87-95
• 5.3.1 實驗部分87
• 5.3.2 晶相對發(fā)光的影響87-93
• 5.3.3 總結(jié)93-95
• 第6章 總結(jié)與展望95-99
• 6.1 研究總結(jié)95-97
• 6.2 研究展望97-99
• 參考文獻99-109
• 在學期間學術成果情況109-110
• 指導教師及作者簡介110-111
• 致謝111

您可以在本站搜索以下學術論文文獻來了解更多相關內(nèi)容

Er/Yb共摻發(fā)光玻璃對硅光電池光譜利用率的影響    劉杰;張巍巍;何興道;盧金山;岳俊昕;

銦基硫鹵玻璃及稀土摻雜氧氟玻璃的形成和光學性能    許銀生

稀土摻雜微納材料中高階多光子上轉(zhuǎn)換發(fā)光及其電子布居過程的研究    鄭克志

稀土摻雜發(fā)光材料下轉(zhuǎn)換發(fā)光特性研究    黃小勇

基于太陽能電池增效的紅光轉(zhuǎn)換研究    舒?zhèn)?/span>

上轉(zhuǎn)換下轉(zhuǎn)換聚光太陽電池及系統(tǒng)的初步研究    樊煬

Eu~(3+)摻雜不同形貌碳酸鈣的制備及其發(fā)光性質(zhì)研究    劉炳杉

NaYF_4:Yb~(3+)，Ho~(3+)/PbF_2:Er~(3+)上轉(zhuǎn)換材料的制備及發(fā)光特性的研究    郝秀利

單分散NaYF_4納米晶的可控制備與上轉(zhuǎn)換發(fā)光    鄧明亮;涂妮娜;汪樂余;

聚苯丙乳膠/二氧化硅/NaYF_4納米晶三元膠體晶體薄膜的制備及其性能研究    張曉寅;游波;陳敏;

稀土摻雜NaYF_4上轉(zhuǎn)換納米材料的制備、復合及物性研究    鄒鵬

稀土摻雜NaYF_4上轉(zhuǎn)換發(fā)光納米晶的水相合成、表征及其生物應用探索    趙軍偉

基于GaAs太陽能電池的NaYF_4稀土摻雜耦合對下轉(zhuǎn)換的研究    王鵬程

幾種稀土發(fā)光材料的合成及發(fā)光性質(zhì)的研究    譚淑媛

增強上轉(zhuǎn)換發(fā)光的納米粒子新結(jié)構構建及物理性質(zhì)研究    趙承周

水熱法合成稀土摻雜NaYF_4的上轉(zhuǎn)換及下轉(zhuǎn)換發(fā)光性能研究    陳小萍

稀土離子摻雜NaYF_4多譜線上轉(zhuǎn)換發(fā)光性質(zhì)的研究及機理分析    張華兵

稀土摻雜NaYF_4納米晶的制備及上轉(zhuǎn)換發(fā)光性能    夏霏霏

稀土離子摻雜的NaYF_4微納米晶的制備及發(fā)光性質(zhì)研究    王軍梅

NaYF_4：Yb/Er/Gd上轉(zhuǎn)換納米顆粒的合成及其在能量共振轉(zhuǎn)移中的應用    張凈普

稀土摻雜固體化合物三基色上轉(zhuǎn)換熒光粉的研制    吳尤娜

稀土離子摻雜NaYF_4納米顆粒及微晶玻璃的光學性能的研究    解君華

環(huán)保型稀土摻雜β-NaYF_4的制備表征及發(fā)光性能研究    付少博

NaYF_4上轉(zhuǎn)換納米晶與CdSe/CdS量子點的合成、光譜分析及構建一個FRET結(jié)構    張博

巰基乙酸修飾對六角相NaYF_4：Yb，Er上轉(zhuǎn)換發(fā)光納米材料的影響    李丹