适用于晶硅太阳能电池下转换层的稀土掺杂玻璃性能研究

摘要

太阳能是一种取之不尽用之不竭的清洁能源。近年来，太阳能技术的发展显示了其巨大优势。利用光生伏特效应可以直接产生光生载流子，基于此，光伏太阳能电池应运而生。目前，商用的晶硅太阳能电池作为光伏产业市场的主流，其效率只有18％。主要原因是晶硅太阳能电池的硅半导体带隙吸收的太阳光与入射太阳光不匹配，即能量高的光子以晶格热损失的形式将多余的能量散失掉而产生的能量传递损耗。
　　虽然能量低于硅半导体带隙的光子，不能被晶硅太阳能电池吸收，太阳能在低波长区域（300-500nm）仍占有不可忽视的分量，这部分能量要比近红外波段的能量比例大。众所周知，硅基太阳能电池的最大响应波长为900-1100nm，如果我们能将低波长波段的光调制到硅基太阳能电池的最大响应波段，在理论上可以将最大转换效率提高到40%，这比肖克利-奎伊瑟极限效率提高了很多。目前的光谱调制实现主要依托的方法是光谱下转换。按照量子效率是否可以高于100%，可将下转换分为量子剪裁和下转移两种途径。我们可以将制作成的下转换层附着于太阳能电池之上，使得太阳能电池能够额外的吸收低波长区域的光进行光电转换。
　　目前关于近红外的下转换过程在很多稀土离子的共掺系统中已经得到了实现。最常见的离子组合有 Tm3+-Yb3+组合、Tb3+-Yb3+组合、Pr3+-Yb3+组合、Ho3+-Yb3+组合以及Er3+-Yb3+组合，还有Ce3+-Yb3+、Eu2+-Yb3+的f-d宽带激发组合。
　　在本论文中，我们首先讨论的是Mn2+-Yb3+的近红外下转换组合，主要研究Mn2+作为敏化剂对于Yb3+的敏化效果。我们选择了氟氧化物硅酸盐和磷酸盐玻璃两种基质作为研究对象。Mn2+作为一种过渡金属元素，是一种重要的无机荧光体。Mn2+的发光主要是由于 d-d的禁带跃迁形式，表现为 Mn2+:4T1→6A1的典型跃迁。近年来，Mn2+离子在照明和显示领域有很重要的作用，关于 Ce3+-Mn2+共掺的荧光粉和各种玻璃和微晶玻璃材料也被广泛研究。但是Mn2+应用于太阳能电池的近红外下转换层的玻璃材料研究甚少。通过我们的研究发现，Mn2+-Yb3+离子对有望应用于硅基太阳能电池的下转换层，提高转换效率。具体地说：首先我们在硅酸盐和磷酸盐玻璃两种基质都观察到了370-500 nm的宽带吸收，这为下转换的实现提供了基础。其次，我们通过激发光谱，发射光谱，和Mn2+的荧光衰减曲线证明了在两种玻璃基质下都存在Mn2+到Yb3+的能量传递。我们对存在的量子剪裁和下转移两个能量传递机制做了进一步深入的分析，并从理论和实验层面进行了验证。最后，通过分析计算，得到两种玻璃基质中的最高量子效率分别为145.3%和165.9%。
　　接着，我们研究了Nd3+-Yb3+离子组合共掺杂于ZnO-Bi2O3-B2O3铋酸盐玻璃的结构和光学性能。并对应用于太阳能电池的可能性进行了评估。通过激发光谱，发射光谱，证明了在铋酸盐玻璃基质下存在 Nd3+到 Yb3+的能量传递。我们对可能存在的量子剪裁和下转移能量传递机制做了进一步深入的分析，并从理论和实验层面进行了验证。通过Nd3+-Yb3+共掺铋酸盐玻璃的激发和发射光谱和标准太阳光谱的对比，得到这种材料可以将几乎整个的可见区和一部分短波长的近红外范围区域的光下转换到高响应区，以提高太阳光谱的利用率，这在一定程度上显示了此种材料的优势。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 NIR下转换研究背景

1.2 发光机制简介

1.3 光谱下转换

1.4 稀土掺杂玻璃

1.5 本文主要工作

参考文献

第2章 实验及表征

2.1 实验试剂及仪器设备

2.2 样品的制备

2.3 样品表征

第3章 Mn2+-Yb3+共掺氟氧玻璃的NIR下转换

3.1 实验部分

3.2 Mn2+-Yb3+共掺氟氧玻璃的结构特性

3.3 Mn2+-Yb3+共掺氟氧玻璃的荧光特性

3.4 能量传递机制分析

3.5 荧光寿命及量子效率的分析计算

3.6 总体评价

本章小结

参考文献

第4章 Mn2+-Yb3+共掺磷酸盐玻璃的NIR下转换

4.1 实验部分

4.2 吸收光谱和激发光谱分析

4.3 发射光谱分析

4.4 能量传递机制分析

4.5 荧光寿命及量子效率的分析计算

本章小结

参考文献

第5章 Nd3+-Yb3+共掺铋酸盐玻璃的NIR下转换

5.1 实验部分

5.2 Nd3+-Yb3+共掺铋酸盐玻璃的结构特性

5.3 Nd3+-Yb3+共掺铋酸盐玻璃的荧光特性

5.4 能量传递机理分析

5.5 总体评价

本章小结

参考文献

第6章 结论和展望

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致谢