基于太阳电池的上转换材料设计与制备研究

论文摘要

由于太阳电池的禁带宽度的限制,如非晶硅薄膜电池的禁带宽度大约在1.7eV左右,微晶硅薄膜电池的禁带宽度可在1.1eV～1.4eV之间调变。因此电池只能吸收太阳光谱中可见光至近红光部分,长波段的太阳光则不能吸收。上转换材料是一种能将低能光子转换成高能光子的一种光转换材料。近年来,上转换材料在激光器和生物医学以及显示等方面应用较多,在太阳电池应用方面始于2005年A. Shalav等对单晶硅电池上的尝试,鉴于材料和结构方面的难度,至今研究团队以及相关文献报道甚少。对单晶电池而言,它的光吸收限已经长于1.1微米,接近近红外光谱,上转换的作用有多大尚待探讨。但对硅基薄膜电池来说,非晶硅吸收限位于0.7微米,微晶硅的带隙最小也只能接近单晶硅,因此将上转换材料用于硅基薄膜太阳电池,应该具有比单晶硅电池更为有效的效果。本论文对适合硅薄膜太阳电池用的上转换材料进行了设计,采用水热法制备了一系列Er3+:NaYF4,Yb3+:NaYF4,Yb3+ Er3+:NaYF4的上转换材料,应用TEM、SEM、XRD、分光光度计、荧光光度计等手段对材料的光学和结构特性进行了表征分析,重点研究了各工艺条件如稀土掺杂比、EDTA掺杂、EDTA掺杂配比、煅烧温度对材料性能的影响。主要结论如下:1、稀土离子的掺杂比对材料晶向结构没有太大的影响。通过吸收光谱的测试,我们最后得到当Yb3+、Er3+离子浓度掺杂比为18%、2%时,可吸收900-1030nm和1450-1580nm波段的太阳光。发射光谱的测试结果表明了制备的上转换材料可发射540nm和653nm波段的绿光和红光。2、SEM、TEM、XRD和吸收谱的测试结果表明:掺入一定量的EDTA后可以分散材料的晶粒,增加材料对光的吸收面积、控制晶粒生长,有利于六角晶向的生成,提高了材料对太阳光的吸收光谱强度以及拓宽了吸收谱域。3、通过调节EDTA掺入量得到EDTA/ Ln3+为1.6 :1时,材料呈现纯六角晶向,材料的上转换效率得到进一步提高。4、通过煅烧对材料进行了进一步的结构优化,研究证明随着煅烧温度从400℃升高到600℃,六角晶向成分逐渐增加,直到700℃时,材料转为立方晶向。初步获得比较好的煅烧温度为600℃。5、对于材料在硅薄膜太阳电池中的应用,我们探索了一条工艺流程。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号说明
• 第一章 绪论
• §1-1 硅基薄膜太阳电池的国内外研究现状
• §1-2 上转换材料的发展状况
• §1-3 选题的目的和意义
• §1-4 研究内容
• 第二章 上转换材料的设计以及材料的表征
• §2-1 上转换发光机制
• 2-1-1 单离子的多光子吸收
• 2-1-2 离子间能量传递
• §2-2 上转换基质材料的选择
• 2-2-1 氧化物
• 2-2-2 硫化物
• 2-2-3 卤化物
• §2-3 制备方法
• 2-3-1 高温固相法
• 2-3-2 Sol-Gel方法
• 2-3-3 沉淀法
• 2-3-4 水热法
• §2-4 材料的表征
• 2-4-1 SEM测试
• 2-4-2 TEM测试
• 2-4-3 XRD测试
• 2-4-4 吸收谱测试
• 2-4-5 发射谱测试
• 第三章 镱铒在NaYF4 基质中的特性分析
• §3-1 样品的制备
• 3-1-1 实验仪器与试剂
• 3-1-2 制备过程
• 3+ 掺杂浓度对上转换材料的影响'>§3-2 Er³⁺掺杂浓度对上转换材料的影响
• 3+浓度对材料晶向结构的影响'>3-2-1 Er³⁺浓度对材料晶向结构的影响
• 3+浓度对材料吸收谱的影响'>3-2-2 Er³⁺浓度对材料吸收谱的影响
• 3+ 掺杂浓度对上转换材料的影响'>§3-3 Yb³⁺掺杂浓度对上转换材料的影响
• 3+浓度对材料晶向结构的影响'>3-3-1 Yb³⁺浓度对材料晶向结构的影响
• 3+浓度对材料吸收谱的影响'>3-3-2 Yb³⁺浓度对材料吸收谱的影响
• 3+、Er³⁺共掺对上转换材料的影响'>§3-4 Yb³⁺、Er³⁺共掺对上转换材料的影响
• 3+离子浓度为15%时Er³⁺掺杂浓度对材料的影响'>3-4-1 Yb³⁺离子浓度为15%时Er³⁺掺杂浓度对材料的影响
• 3+离子浓度为18%时Er³⁺掺杂浓度对材料的影响'>3-4-2 Yb³⁺离子浓度为18%时Er³⁺掺杂浓度对材料的影响
• 3+离子浓度为20%时Er³⁺掺杂浓度对材料的影响'>3-4-3 Yb³⁺离子浓度为20%时Er³⁺掺杂浓度对材料的影响
• 3-4-4 结果分析
• §3-5 材料的发光光谱以及上转换发光机制的研究
• 3-5-1 材料发光光谱讨论
• 3-5-2 材料上转换发光机制的讨论
• §3-6 小结
• 第四章 材料性能初步优化
• §4-1 引言
• §4-2 EDTA对上转换材料特性的影响
• 4-2-1 EDTA对材料的形貌特征的影响
• 4-2-2 EDTA对材料晶向的影响
• 4-2-3 EDTA对材料吸收光谱的影响
• 4-2-4 EDTA对材料发射光谱的影响
• §4-3 材料晶向结构优化
• 4-3-1 EDTA浓度对晶向结构的影响
• 4-3-2 煅烧对材料晶向结构的影响
• §4-4 小结
• 第五章 上转换材料在非晶硅太阳电池中的应用
• §5-1 非晶硅电池的工作原理及制备
• 5-1-1 非晶硅电池的工作原理
• 5-1-2 制备工艺
• 5-1-3 非晶硅电池的透过率
• §5-2 上转换材料的应用
• 5-2-1 结构图
• 5-2-2 组合工艺
• 5-2-3 材料在电池中的应用
• §5-3 小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 致谢