膠體PbSe量子點太陽能熒光聚集器的仿真研究

【摘要】：太陽能熒光聚集器（LSC）是一種聚光型太陽能光伏器件，它可以通過等效聚光的方法，以相對簡單的結(jié)構(gòu)代替大面積造價昂貴的太陽能電池，達到降低太陽能光伏發(fā)電成本的目的。過去，研究人員經(jīng)常選用有機熒光材料作為LSC的熒光材料，但它們的光譜吸收范圍小，自吸收嚴重，穩(wěn)定性差，熒光壽命短，這很大程度上限制了LSC效率的提高。半導(dǎo)體量子點作為近年來備受關(guān)注的熱點材料，相比于傳統(tǒng)有機熒光材料，具有更優(yōu)異的光學(xué)特性，如光譜可調(diào)諧，熒光量子效率高，自吸收弱，穩(wěn)定性好，熒光壽命長等。因此，為了進一步提高LSC的性價比，本文將2.8nm的膠體PbSe量子點引入到LSC的應(yīng)用中。 本文首先分析了半導(dǎo)體量子點的激子能級結(jié)構(gòu)，采用有限深勢阱模型與有效質(zhì)量近似理論相結(jié)合的方法，建立了半導(dǎo)體量子點能級結(jié)構(gòu)的計算公式，并對不同尺寸的膠體PbSe量子點的禁帶寬度進行了理論計算，發(fā)現(xiàn)理論計算值與實驗測定值相差不多。然后采用Yu的合成方法合成了不同尺寸的膠體PbSe量子點，對其進行了TEM、XRD分析，觀測到其近似于球形的外形和體巖鹽對稱的晶體結(jié)構(gòu)，測量了其吸收光譜和PL光譜，發(fā)現(xiàn)其第一激子吸收峰和發(fā)射峰是尺寸依賴的，并測量得到其熒光量子效率在80%以上。接下來本文詳細分析了LSC的工作原理，包括光子在LSC內(nèi)的轉(zhuǎn)換過程，熒光在LSC內(nèi)部的傳輸模式，自吸收和再激發(fā)原理，熒光的傳輸損耗原理等，并根據(jù)其工作原理建立了LSC的數(shù)學(xué)模型。根據(jù)該數(shù)學(xué)模型，用C++編程語言在MicrosoftVisual C++6.0編譯器上編寫了太陽能熒光聚集器的仿真軟件。最后，本文將2.8nm的膠體PbSe量子點應(yīng)用到LSC中，根據(jù)實驗測量及查閱資料獲得的數(shù)據(jù)來設(shè)定仿真參數(shù)，對膠體PbSe量子點太陽能熒光聚集器進行了仿真研究。仿真研究了LSC的尺寸對LSC光電轉(zhuǎn)換效率、幾何聚光比和收益參數(shù)的影響，得到LSC尺寸的最優(yōu)值。在最優(yōu)尺寸下仿真研究了量子點溶液濃度對LSC光電轉(zhuǎn)換效率的影響，得到量子點溶液濃度的最優(yōu)值。并最終得到了性能優(yōu)良的LSC，其邊長為150cm×200cm，夾層厚度為1mm，量子點溶液濃度為2.5×10-5mol/L，光電轉(zhuǎn)換效率為3.25%，幾何聚光比為61.224，收益參數(shù)為12.436，說明膠體PbSe量子點可以明顯提高LSC的性價比，是用來制作LSC的理想熒光材料。 【關(guān)鍵詞】：PbSe量子點 太陽能熒光聚集器 數(shù)學(xué)模型 仿真研究
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TM615;O471.1
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-6
• 目錄6-9
• 第一章 緒論9-18
• 1.1 太陽能電池的發(fā)展現(xiàn)狀9-12
• 1.2 太陽能熒光聚集器12-16
• 1.2.1 太陽能熒光聚集器概述12-14
• 1.2.2 太陽能熒光聚集器的研究進展14-16
• 1.3 本文研究的主要內(nèi)容與意義16-18
• 第二章 半導(dǎo)體量子點的能級結(jié)構(gòu)18-32
• 2.1 半導(dǎo)體量子點概述18-22
• 2.1.1 半導(dǎo)體量子點的概念18
• 2.1.2 半導(dǎo)體量子點的研究進展18-20
• 2.1.3 半導(dǎo)體量子點的性質(zhì)20-22
• 2.2 半導(dǎo)體量子點的能級結(jié)構(gòu)理論22-28
• 2.2.1 激子能級結(jié)構(gòu)理論模型23-26
• 2.2.1.1 激子哈密頓量的基本構(gòu)成23
• 2.2.1.2 量子受限能23-25
• 2.2.1.3 庫倫作用能量25-26
• 2.2.2 強受限下的激子能量26-27
• 2.2.3 弱受限下的激子能量27-28
• 2.3 PbSe 量子點的能級結(jié)構(gòu)計算28-32
• 2.3.1 LUMO 和 HOMO 的計算28-30
• 2.3.2 庫倫作用能量的計算30-31
• 2.3.3 禁帶寬度的計算31-32
• 第三章 膠體 PbSe 量子點的合成與表征32-41
• 3.1 PbSe 量子點的研究進展32
• 3.2 量子點合成方法簡介32-33
• 3.3 膠體 PbSe 量子點的合成33-35
• 3.3.1 合成設(shè)備及環(huán)境要求33-34
• 3.3.2 合成原料34
• 3.3.3 合成過程34-35
• 3.4 膠體 PbSe 量子點的表征35-41
• 3.4.1 TEM 分析35-36
• 3.4.2 XRD 分析36-37
• 3.4.3 Abs 光譜與 PL 光譜37-41
• 第四章 太陽能熒光聚集器的理論模型41-48
• 4.1 LSC 的 Monte Carlo 模型41-42
• 4.2 LSC 的數(shù)學(xué)模型42-48
• 4.2.1 LSC 的光電轉(zhuǎn)換效率42-44
• 4.2.2 逃逸光椎44
• 4.2.3 光波導(dǎo)的傳輸效率44-48
• 第五章 太陽能熒光聚集器的仿真與結(jié)果分析48-54
• 5.1 仿真參數(shù)設(shè)定48-49
• 5.1.1 半導(dǎo)體量子點參數(shù)48-49
• 5.1.2 其他參數(shù)49
• 5.2 仿真軟件49-50
• 5.3 仿真結(jié)果討論與優(yōu)化50-54
• 5.3.1 LSC 尺寸對其光電轉(zhuǎn)換效率的影響50-52
• 5.3.2 量子點濃度對 LSC 光電轉(zhuǎn)換效率的影響52-54
• 第六章 結(jié)論與展望54-56
• 6.1 研究總結(jié)54-55
• 6.2 研究展望55-56
• 參考文獻56-62
• 在學(xué)期間取得的科研成果62-63
• 致謝63

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