基于提高太阳能电池光电效率的频域转换材料及应用

【摘要】：作为电子系统中能量输入的电源是电力电子应用技术发展中追求节能环保的一个重要方面，而太阳能电池的主要作用就是用作电源。目前广泛使用的硅基太阳能电池的光电转换效率的理论上限是31%，而实际效率约18%。引起这种较低效率的一个重要原因是太阳能电池不能将紫外到红外的太阳光全部吸收来转换为电能。因此，拓宽太阳能电池的响应范围成为研究的热点。 本文中，我们根据稀土离子在光频区域的频率转换特征及机理，将太阳能电池无光电响应的红外光或响应弱的紫外光转换为响应强的可见光，通过光谱调制拓宽太阳能电池的光电响应频率范围。具体研究内容如下： 为实现红外频率到可见光频率的转换，我们合成了SiO2-Al2O3-ZnF2-SrF2(SAZS)微晶玻璃；研究了Er3+掺杂SAZS在1540nm激发下的频率转换发光性质；通过共掺Tm3+，Li+来研究其对该体系中Er3+频域转换发光强度的影响。研究表明，Li+不仅增强了微晶的结晶，而且增强了Er3+的频域转换发光强度。红光和绿光的发射强度都增强了10倍多。我们分析了结晶和频域转换发光增强的原因。实现了将硅基太阳能电池不响应的1540nm的红外光转换为较强响应的667nm，549nm，524nm的可见光。 为实现紫外频率到可见光频率的转换，我们合成了SiO2-B2O3-Na2O-SrF2(SBNS)玻璃；根据J-O理论计算出Dy3+掺杂SBNS的光学属性特征参数，结果表明该基质具有较好的可见光发射能力；研究了Dy3+单掺杂SBNS在354nm，327nm激发下的频率转换发光性质；在Ce3+/Dy3+共掺杂SBNS体系中，探讨了Ce3+对Dy3+频域转换光强度的影响。研究表明，327nm激发时，Ce3+通过能量传递提高了Dy3+的频域转换发光强度。黄光和蓝光的发射强度分别增强了9.6倍和6.9倍。我们提出了基于本体系的能量传递机制。实现了将硅基太阳能电池响应弱的354nm，327nm的紫外光转换为较强响应的575nm，482nm的可见光。同时研究发现Ce3+与Dy3+的发射光的结合可产生白光，还可作为白光LED领域的潜在应用。 【关键词】：太阳能电池 稀土离子 光子频域转换 氧氟玻璃 能量传递 增强发光
【学位授予单位】：南京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-6
• 目录6-8
• 专用术语注释表8-9
• 第一章 绪论9-16
• 1.1 太阳能电池理论与发展背景9-12
• 1.1.1 太阳能电池原理及电路图9-10
• 1.1.2 太阳能电池的发展与分类10-12
• 1.2 基于减少太阳能电池能量损失的研究现状12-14
• 1.3 本论文的研究内容14-16
• 第二章 稀土离子及其掺杂的频域转换发光材料16-29
• 2.1 稀土离子光谱性质相关理论16-19
• 2.1.1 稀土离子的光谱项16-17
• 2.1.2 稀土离子的能级跃迁17
• 2.1.3 辐射和非辐射跃迁17
• 2.1.4 稀土离子间的相互作用17-19
• 2.2 光子频域转换机理19-23
• 2.2.1 频率上转换机理19-22
• 2.2.2 频率下转换机理22-23
• 2.3 J-O 理论23-25
• 2.4 稀土掺杂玻璃的制备方法25-26
• 2.5 样品的检测与表征26-28
• 2.6 本章小结28-29
• 第三章 Er~(3+)/Li+掺杂氧氟微晶玻璃调制的频域转换发光29-39
• 3.1 氧氟微晶玻璃 SiO_2-Al_2O_3-ZnF_2-SrF_2的制备29-32
• 3.1.1 实验方法及步骤30
• 3.1.2 样品的结构表征及分析30-32
• 3.2 远红外频率转换为可见光频率的频域转换发光32-38
• 3.2.1 Er~(3+)单掺杂氧氟微晶玻璃的频域转换发光33-35
• 3.2.2 能量传递对频域转换发光的影响35-36
• 3.2.3 Li~+调节的增强的频域转换发光36-38
• 3.3 本章小结38-39
• 第四章 Ce~(3+)/Dy~(3+)掺杂氧氟玻璃调制的频域转换发光39-54
• 4.1 SiO_2-B_2O_3-Na_2O-SrF_2玻璃的制备40-41
• 4.1.1 实验方法及步骤40-41
• 4.1.2 样品的结构表征及分析41
• 4.2 J-O 理论研究分析 Dy~(3+)掺杂 SiO_2-B_2O_3-Na_2O-SrF_2的光学属性参数41-45
• 4.3 紫外光频率转换为可见光频率的频域转换发光45-52
• 4.3.1 Dy~(3+)单掺杂氧氟玻璃的频域转换发光45-46
• 4.3.2 Ce~(3+)调节的增强的频域转换发光46-50
• 4.3.3 Ce~(3+)，Eu~(3+)调节的色度坐标50-52
• 4.4 本章小结52-54
• 第五章 总结与展望54-56
• 5.1 研究总结54-55
• 5.2 研究展望55-56
• 参考文献56-60
• 附录 1 攻读硕士学位期间撰写的论文60-61
• 附录 2 攻读硕士学位期间申请的专利61-62
• 附录 3 攻读硕士学位期间参加的科研项目62-63
• 致谢63

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