胶体PbSe量子点太阳能荧光聚集器的仿真研究

【摘要】：太阳能荧光聚集器（LSC）是一种聚光型太阳能光伏器件，它可以通过等效聚光的方法，以相对简单的结构代替大面积造价昂贵的太阳能电池，达到降低太阳能光伏发电成本的目的。过去，研究人员经常选用有机荧光材料作为LSC的荧光材料，但它们的光谱吸收范围小，自吸收严重，稳定性差，荧光寿命短，这很大程度上限制了LSC效率的提高。半导体量子点作为近年来备受关注的热点材料，相比于传统有机荧光材料，具有更优异的光学特性，如光谱可调谐，荧光量子效率高，自吸收弱，稳定性好，荧光寿命长等。因此，为了进一步提高LSC的性价比，本文将2.8nm的胶体PbSe量子点引入到LSC的应用中。 本文首先分析了半导体量子点的激子能级结构，采用有限深势阱模型与有效质量近似理论相结合的方法，建立了半导体量子点能级结构的计算公式，并对不同尺寸的胶体PbSe量子点的禁带宽度进行了理论计算，发现理论计算值与实验测定值相差不多。然后采用Yu的合成方法合成了不同尺寸的胶体PbSe量子点，对其进行了TEM、XRD分析，观测到其近似于球形的外形和体岩盐对称的晶体结构，测量了其吸收光谱和PL光谱，发现其第一激子吸收峰和发射峰是尺寸依赖的，并测量得到其荧光量子效率在80%以上。接下来本文详细分析了LSC的工作原理，包括光子在LSC内的转换过程，荧光在LSC内部的传输模式，自吸收和再激发原理，荧光的传输损耗原理等，并根据其工作原理建立了LSC的数学模型。根据该数学模型，用C++编程语言在MicrosoftVisual C++6.0编译器上编写了太阳能荧光聚集器的仿真软件。最后，本文将2.8nm的胶体PbSe量子点应用到LSC中，根据实验测量及查阅资料获得的数据来设定仿真参数，对胶体PbSe量子点太阳能荧光聚集器进行了仿真研究。仿真研究了LSC的尺寸对LSC光电转换效率、几何聚光比和收益参数的影响，得到LSC尺寸的最优值。在最优尺寸下仿真研究了量子点溶液浓度对LSC光电转换效率的影响，得到量子点溶液浓度的最优值。并最终得到了性能优良的LSC，其边长为150cm×200cm，夹层厚度为1mm，量子点溶液浓度为2.5×10-5mol/L，光电转换效率为3.25%，几何聚光比为61.224，收益参数为12.436，说明胶体PbSe量子点可以明显提高LSC的性价比，是用来制作LSC的理想荧光材料。 【关键词】：PbSe量子点 太阳能荧光聚集器 数学模型 仿真研究
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM615;O471.1
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-6
• 目录6-9
• 第一章 绪论9-18
• 1.1 太阳能电池的发展现状9-12
• 1.2 太阳能荧光聚集器12-16
• 1.2.1 太阳能荧光聚集器概述12-14
• 1.2.2 太阳能荧光聚集器的研究进展14-16
• 1.3 本文研究的主要内容与意义16-18
• 第二章 半导体量子点的能级结构18-32
• 2.1 半导体量子点概述18-22
• 2.1.1 半导体量子点的概念18
• 2.1.2 半导体量子点的研究进展18-20
• 2.1.3 半导体量子点的性质20-22
• 2.2 半导体量子点的能级结构理论22-28
• 2.2.1 激子能级结构理论模型23-26
• 2.2.1.1 激子哈密顿量的基本构成23
• 2.2.1.2 量子受限能23-25
• 2.2.1.3 库伦作用能量25-26
• 2.2.2 强受限下的激子能量26-27
• 2.2.3 弱受限下的激子能量27-28
• 2.3 PbSe 量子点的能级结构计算28-32
• 2.3.1 LUMO 和 HOMO 的计算28-30
• 2.3.2 库伦作用能量的计算30-31
• 2.3.3 禁带宽度的计算31-32
• 第三章 胶体 PbSe 量子点的合成与表征32-41
• 3.1 PbSe 量子点的研究进展32
• 3.2 量子点合成方法简介32-33
• 3.3 胶体 PbSe 量子点的合成33-35
• 3.3.1 合成设备及环境要求33-34
• 3.3.2 合成原料34
• 3.3.3 合成过程34-35
• 3.4 胶体 PbSe 量子点的表征35-41
• 3.4.1 TEM 分析35-36
• 3.4.2 XRD 分析36-37
• 3.4.3 Abs 光谱与 PL 光谱37-41
• 第四章 太阳能荧光聚集器的理论模型41-48
• 4.1 LSC 的 Monte Carlo 模型41-42
• 4.2 LSC 的数学模型42-48
• 4.2.1 LSC 的光电转换效率42-44
• 4.2.2 逃逸光椎44
• 4.2.3 光波导的传输效率44-48
• 第五章 太阳能荧光聚集器的仿真与结果分析48-54
• 5.1 仿真参数设定48-49
• 5.1.1 半导体量子点参数48-49
• 5.1.2 其他参数49
• 5.2 仿真软件49-50
• 5.3 仿真结果讨论与优化50-54
• 5.3.1 LSC 尺寸对其光电转换效率的影响50-52
• 5.3.2 量子点浓度对 LSC 光电转换效率的影响52-54
• 第六章 结论与展望54-56
• 6.1 研究总结54-55
• 6.2 研究展望55-56
• 参考文献56-62
• 在学期间取得的科研成果62-63
• 致谢63

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