基于太阳能电池增效的硅酸盐波长转换荧光材料

【摘要】：随着经济的快速增长，能源消耗越来越多，能源供应十分紧张，寻找新的可再生能源成为人们迫不及待解决的问题。太阳能是一个洁净的、无污染的可再生能源，而且太阳能取之不尽，用之不竭。太阳能电池作为直接利用太阳能的重要手段，广泛受到人们的亲睐。太阳能电池已经应用到了多个领域，大到航空航天，小到家用电器。目前太阳能电池的光电转换效率比较低，其中一个重要的原因就是电池吸收波段比较窄，对于短波的紫外光和长波的红外光不能有效吸收。而太阳光中紫外光占3%，红外光占53%，如此巨大的能量要是能被电池利用，对提高电池效率肯定有效。一个简单实用的方法是在电池上引入转光材料。转光是指将太阳能电池不能吸收的光转为能被电池利用的光。转光包括短波紫外转光和红外长波转光，即上转换和下转换。 首先我们用微波法进行快速合成能将红外光转为可被电池吸收的红绿光的上转换材料Zn_2SiO_4:Yb~(3+), Er~(3+)。为了提高该材料的转光效率，我们引入了Li~+和Bi~(3+)离子，发现适量的Li~+使得上转换绿光增强了6倍，红光增强了3倍。适量的Bi~(3+)使得上转换红绿光均增强了20倍。利用Eu~(3+)探针分析上转换增强的原因。 其次，采用高温固相法制备了能有效吸收紫外光和蓝光区域的光并将其转为能被电池有效利用的绿色荧光材料Zn_2SiO_4:Mn~(2+)。为了合成单相的硅酸锌，我们采取了三步高温固相法。为了提高Zn_2SiO_4:Mn~(2+)材料的荧光强度，引入了助熔剂H_3BO_3和ZnF_2，发现H_3BO_3能提高发光强度，ZnF_2对发光起负作用。在此基础上引入稀土离子Yb~(2+)和Tb~(3+)，发现两稀土离子均能增强Mn~(2+)的发光，发光分别提高2.2和2.8倍。 同时我们用高温固相法合成了能广泛吸收紫外到蓝光区域的光转为黄光的Ca_2ZnSi_2O_7:Eu~(2+)荧光材料。为了提高发光亮度，我们引进了助熔剂H_3BO_3和CaF_2，发现这两种助熔剂均能有效提高发光强度，掺CaF_2提高的更多，为5.34倍。在掺CaF_2的Ca_2ZnSi_2O_7:Eu~(2+)基础上，引入NH_4H_2PO_4与Al_2O_3的混合物，发现适量的P5+和Al~(3+)使发光再增强了1.38倍。向该材料掺入Dy~(3+)后有余辉现象，共掺H_3BO_3和CaF_2的材料余辉得到大大增强。 【关键词】：太阳能电池 转光材料 上转换 下转换
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：O482.31
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-7
• 目录7-9
• 第1章 绪论9-15
• 1.1 能源危机与太阳能电池9-10
• 1.2 太阳能电池的光谱响应特性10-11
• 1.3 上转换与下转换的对电池光谱响应的改善11-13
• 1.3.1 上转换材料在太阳能电池中应用12-13
• 1.3.2 下转换材料在太阳能电池中应用13
• 1.4 本课题研究目的及主要研究内容13-15
• 1.4.1 本课题研究目的和意义13
• 1.4.2 本课题研究内容13-15
• 第2章 上转换和下转换的发光中心和发光机制15-24
• 2.1 发光中心简介16-17
• 2.1.1 稀土离子发光中心16-17
• 2.1.2 过渡金属离子发光中心17
• 2.2 上转换机制17-21
• 2.3 下转换机制21-22
• 2.4 表征方法22-24
• 2.4.1 X 射线衍射分析22-23
• 2.4.2 光谱测试分析23-24
• 第3章 Li~+/Bi~(3+)共掺对 Zn_2SiO_4:Er~(3+),Yb~(3+)上转换的调节效应24-32
• 3.1 引言24-25
• 3.2 实验部分25-26
• 3.2.1 实验用试剂25
• 3.2.2 实验用设备25
• 3.2.3 样品的制备方法25
• 3.2.4 X 射线衍射(XRD)分析25-26
• 3.3 光谱测试与分析26-31
• 3.3.1 Zn_2SiO_4:Er~(3+), Yb~(3+)荧光测试与分析26-28
• 3.3.2 Li~+/Bi~(3+)离子共掺对 Zn_2SiO_4:Er~(3+), Yb~(3+)发光影响28-29
• 3.3.3 Eu~(3+)探针分析 Li~+和 Bi~(3+)增强 Zn_2SiO_4:Er~(3+), Yb~(3+)发光原因29-31
• 3.4 本章小结31-32
• 第4章 绿色荧光材料 Zn_2SiO_4:Mn~(2+)发光性能研究32-40
• 4.1 引言32-33
• 4.2 实验部分33
• 4.2.1 实验用试剂33
• 4.2.2 实验用设备33
• 4.2.3 样品的制备方法33
• 4.3 制备条件对材料性能的影响以及结构表征33-35
• 4.3.1 不同灼烧条件的影响33-35
• 4.3.2 X 射线衍射(XRD)分析35
• 4.4 光谱测试与分析35-39
• 4.4.1 Zn_2SiO_4:Mn~(2+)荧光测试与分析35-36
• 4.4.2 助熔剂 H_3BO_3和 ZnF_2对 Zn_2SiO_4:6 mol% Mn~(2+)发光的影响36-37
• 4.4.3 稀土离子 Yb~(2+)和 Tb~(3+)对 Zn_2SiO_4:Mn~(2+), H_3BO_3发光的影响37-39
• 4.5 本章小结39-40
• 第5章 助熔剂对 Ca_2ZnSi_2O_7:Eu~(2+)黄色荧光材料发光特性影响40-50
• 5.1 引言40-41
• 5.2 样品的制备与表征41-43
• 5.2.1 实验用试剂41
• 5.2.2 实验用设备41
• 5.2.3 样品的制备方法41-42
• 5.2.4 X 射线衍射(XRD)分析42-43
• 5.3 光谱测试与分析43-46
• 5.3.1 Ca_2ZnSi_2O_7: Eu~(2+)的荧光测试与分析43-45
• 5.3.2 H_3BO_3和 CaF_2对 Ca_2ZnSi_2O_7:2 mol% Eu~(2+)的发光影响45-46
• 5.3.3 Al~(3+)和 P5+对 Ca_2ZnSi_2O_7:2 mol% Eu~(2+), 50 mol% CaF_2发光影响46
• 5.4 余辉现象分析46-49
• 5.5 本章小结49-50
• 总结与展望50-52
• 参考文献52-58
• 致谢58-59
• 个人简历、在学习期间发表的学术论文与研究成果59

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