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稀土掺杂材料的发光特性研究及其在太阳能电池与白光LED中的应用

【摘要】:稀土离子具有将近紫外高能光转换为低能可见光的功能,可被应用于下转换太阳电池和近紫外激发暖白光LED上。本文研制了稀土离子Eu3+掺杂的,具有下转换功能的光伏玻璃,并研制了具有复眼结构的光伏玻璃;将稀土离子Ce3+和Yb3+掺入CsPbCIxBry(x+y=3)钙钛矿量子点材料中并将其涂覆在晶硅太阳电池表面,使光电转换效率得到提升;用固相法制备了非常稳定的近紫外激发Na2Al2B207荧光粉,实现自还原,并研究了发光特性和LED中的应用。本文主要工作如下:(1)Eu3+掺杂光伏玻璃和复眼结构光伏玻璃的研制:通过高温烧结法将Eu3+掺入钙钠系光伏玻璃中,检测了玻璃的激发光谱、发射光谱和透射率,结果表明符合f-f跃迁机制,在主波长近紫外393nm激发下可发射612nm的红光,Eu3+最佳的摩尔掺杂浓度为0.02,将其覆盖在晶硅太阳电池表面,光电转换效率可提高0.16%。此外我们设计了具有复眼结构的光伏玻璃以探究通过结构改良提高电池效率。通过Trace Pro模拟软件,对影响复眼光学管理的三个因素,复眼间隙、弦高比和大小进行了优化,结构得到优化的复眼玻璃收集到的辐射功率比传统平面光伏玻璃高6.41%。根据优化结果,我们制备了间隙为0.584mm,半径为4.1mm,弦高比为2.5的复眼光伏玻璃。将复眼玻璃和平面玻璃分别与6.25cm2规格的晶硅电池进行封装并比较。在厦门市一天的光电流测试中,在光线倾角较大的清晨和傍晚,复眼玻璃封装电池相比平面玻璃封装电池光电流增量最多达到8.9mA,光电转换效率提高了1.03%。同时,复眼玻璃的使用不会导致太阳能电池温度额外上升,满足实际应用的要求。(2)掺稀土钙钛矿量子点及其在硅太阳电池上的应用研究:用热注入法制备了CsPbCl3、CsPbCl1.5Br1.5和CsPbBr3钙钛矿量子点荧光材料,禁带宽度分别为3.75eV、2.72eV和2.42eV。在此基础上,制备了 CsPbCl1.5Br1.5:Ce3+(3%)和CsPbCl15Br1.5:Ce3+(1%)、Yb3+(2%)两种稀土掺杂量子点,检测其激发发射光谱,结果表明实现了CsPbCl1.5 Br1.5向Ce3+离子能量传递,并且Ce3+与Yb3+双掺时,实现了量子裁剪,分别将其旋涂于多晶硅太阳能电池后,光电转换效率分别提高了0.4513%和0.508%。在旋涂量子点的电池片上沉积类金刚石膜欲实现对量子点的保护,但是导致了转换效率的降低。(3)自还原Na2A12B2O7:Eu荧光粉发光性能研究及其在白光LED上应用:最近发现自还原机理可在空气气氛下将部分高价稀土离子还原为低价,实现4f-4f和5d-4f的混合跃迁,具有理论价值和应用前景。我们首次对自还原Na2A12B207:Eu荧光粉进行了详细研究,发现了许多有意思的新现象。用高温固相法,在空气环境下制得了Eu掺杂的Na2Al2B207荧光粉。通过检测该荧光粉激发发射光谱,发现其445nm的发射峰来自Eu2+对应的4f65d1→4f7跃迁;570~650nm处的发射峰来自Eu3+对应的5D0→7FJ(J=0,1,2)的跃迁。ESR谱图和XPS谱图都证实了Na2A12B207中Eu2+的存在,并用电荷补偿原理解释了自还原过程。该荧光粉的红光发射具有极佳的热稳定性且未出现荧光淬灭,发射强度随Eu掺杂浓度的增加而增强,同时XRD中出现的Eu(B03)第二相,都说明了Eu3+的发光来自Eu(B03)。然而,445nm处的发射强度随Eu掺杂浓度的增加呈现出不同的变化趋势,既不是浓度猝灭也不是均匀变化,而是有两个显著的峰值。Na2A12B2O7:0.16Eu样品在341nm和393nm激发下的荧光量子效率分别为11.99%和9.39%。通过改变激发波长可以实现来自Na2A12B207中Eu2+的蓝光和来自Eu(B03)中Eu3+的红光发射之间的强度的改变,对应的CIE坐标也可以实现变动。最后,将Na2A12B2O7:0.16Eu荧光粉与385nm芯片封装成LED。实际测得LED的色坐标和计算相符,LED的流明效率为0.99lm/W,色温2204K,显色指数34.9。

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