Er3+（Eu2+）/Yb3+共掺氟磷酸钙纳米微晶玻璃的光谱调制研究

论文摘要

1954年贝尔实验室Chapin等人率先开发出光电转换效率为6%的单晶硅太阳能电池,成为现代太阳能电池划时代的标志。长期以来,人们通过硅提纯和复杂的材料处理工艺不断提高硅太阳能电池的光电转换效率。晶体硅的带隙为1.12eV,对应光波波长为1100 nm,即只有波长小于1100 nm的太阳光才可以被晶体硅吸收并产生电子—空穴对,发生光电转换效应；而那些波长大于1100 nm的红外光则由于能量太低而不能被利用,由此造成了大约25%太阳光能量的损失。此外,硅晶体对太阳光有效响应频谱下限是400 nm,波长小于400 nm的紫外光也不能被硅基太阳能电池所有效利用；另外,对于波长在400—1100 nm的太阳光,硅晶体吸收一个光子的同时只能产生个电子—空穴对,而剩余能量通过无辐射形式传递给周围晶格并转换为热量（热化效应）,该部分又损失了大约30%的太阳光能量。因此,硅基太阳能电池对太阳光谱的有效响应频谱范围有限以及热化效应的存在,成为限制硅基太阳能电池光电转换效率的重要因素。利用稀土离子的上转换和量子剪裁发光特性对太阳光进行宽带光谱调制,将硅基太阳能电池不能吸收的近红外光（波长大于1100 nm）利用上转换发光转换成可以被吸收的可见/近红外光,以及不能充分利用的紫外/可见光（波长小于550 nm）利用量子剪裁发光来提高太阳光谱的利用率和降低热化效应,从而扩大硅电池对太阳光的响应频谱范围,该方法成为不同于以往利用硅材料改进和器件性能优化来提高硅太阳能电池光电转换效率的新思路之一本文以稀土离子掺杂的共掺氟磷酸钙玻璃及微晶玻璃为研究对象,由实验制得Eu2+/Yb3+和Er3+/Yb3+共掺的氟磷酸钙玻璃及微晶玻璃。通过X射线衍射和透射电子显微分析证实了析出的晶体为Ca5（PO4）3F纳米微晶,研究讨论了Eu2+/Yb3+和Er3+/Yb3+共掺氟磷酸钙微晶玻璃对太阳光的光谱调制原理。在紫外和短波蓝光的激发下,分析了Eu2+-Yb3+之间的能量的传递及量子剪裁光谱调制过程；通过改变掺杂的稀土离子Yb3+浓度和析晶时间来研究氟磷酸钙玻璃和微晶玻璃发光性质,比较了析晶前后的发光性质,发现微晶玻璃中的发光比玻璃中强度明显增强,有效提高了玻璃的发光效率,分析了在微晶玻璃中其发光增强的原因,并讨论了Eu2+-Yb3+之间的量子剪裁能量传递机理。研究了在近红外光激发下,Er3+/Yb3+共掺氟磷酸钙玻璃和微晶玻璃的上转换光谱调制过程；通过改变掺杂的稀土离子Yb3+浓度和激发光功率研究氟磷酸钙玻璃和微晶玻璃发光性质,比较了析晶前后上转换发光强度,并讨论了Er3+—Yb3+之间的上转换发光机理。通过稀土离子Eu3+离子作为探针的研究,发现稀土离子有选择进入微晶玻璃的氟磷酸钙晶体中,能量传递和发光效率显著提高。从本实验得到的结果推测稀土离子掺杂氟磷酸钙微晶玻璃在提高硅基太阳能电池对太阳光的利用率上具有很大的研究价值。

论文目录

• 摘要
• Abstracts
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 太阳能电池的发展及其存在的问题
• 1.2.1 太阳能电池的原理
• 1.2.2 太阳能电池的种类
• 1.2.3 太阳能电池在光谱利用率上存在的主要问题
• 1.3 光谱调制的类型
• 1.3.1 上转换（up-conversion）
• 1.3.2 下转换（down-conversion）
• 1.3.3 光致发光（photoluminescence）
• 1.3.4 光谱调制在太阳能电池上的应用
• 1.4 氟磷酸钙微晶玻璃
• 1.4.1 微晶玻璃简介
• 1.4.2 氟磷酸钙基质玻璃以及氟磷酸钙晶体的特性
• 1.5 本论文研究的目的及意义
• 1.6 课题来源及研究内容
• 1.6.1 课题来源
• 1.6.2 课题研究的内容
• 第二章 氟磷酸钙微晶玻璃的制备和性能测试
• 2.1 氟磷酸钙微晶玻璃的制备
• 2.1.1 实验原料
• 2.1.2 样品制备过程
• 2.2 实验样品性能测试
• 2.2.1 差热分析
• 2.2.2 物相分析（XRD）
• 2.2.3 透射电镜（TEM）
• 2.2.4 吸收光谱测试
• 2.2.5 荧光光谱测试
• 2+/Yb³⁺共掺氟磷酸钙微晶玻璃量子剪裁发光性质研究'>第三章 Eu²⁺/Yb³⁺共掺氟磷酸钙微晶玻璃量子剪裁发光性质研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验
• 3.3 结果与讨论
• 2+/Yb³⁺共掺氟磷酸钙玻璃的晶化热处理'>3.3.1 Eu²⁺/Yb³⁺共掺氟磷酸钙玻璃的晶化热处理
• 2+/Yb³⁺共掺氟磷酸钙玻璃和微晶玻璃的光谱性质比较'>3.3.2 Eu²⁺/Yb³⁺共掺氟磷酸钙玻璃和微晶玻璃的光谱性质比较
• 3+离子浓度对发光性能的影响'>3.3.3 Yb³⁺离子浓度对发光性能的影响
• 3.3.4 析晶时间对量子剪裁发光性能的影响
• 2+/Yb³⁺共掺氟磷酸钙微晶玻璃量子剪裁机理'>3.3.5 Eu²⁺/Yb³⁺共掺氟磷酸钙微晶玻璃量子剪裁机理
• 3.4 小结
• 3+/Yb³⁺共掺氟磷酸钙微晶玻璃上转换发光性质研究'>第四章 Er³⁺/Yb³⁺共掺氟磷酸钙微晶玻璃上转换发光性质研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验
• 4.3 结果与讨论
• 3+/Yb³⁺共掺氟磷酸钙玻璃的晶化热处理'>4.3.1 Er³⁺/Yb³⁺共掺氟磷酸钙玻璃的晶化热处理
• 3+/Yb³⁺共掺氟磷酸钙玻璃和微晶玻璃的光谱性质比较'>4.3.2 Er³⁺/Yb³⁺共掺氟磷酸钙玻璃和微晶玻璃的光谱性质比较
• 3+离子浓度对上转换发光性能的影响'>4.3.3 Yb³⁺离子浓度对上转换发光性能的影响
• 4.3.4 激发光泵浦功率对上转换发光性能的影响
• 3+/Yb³⁺共掺氟磷酸钙微晶玻璃上转换发光机理'>4.3.5 Er³⁺/Yb³⁺共掺氟磷酸钙微晶玻璃上转换发光机理
• 3+离子在微晶玻璃中的探针作用'>4.3.6 Eu³⁺离子在微晶玻璃中的探针作用
• 4.4 小结
• 第五章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录: 攻读硕士学位期间发表论文