稀土离子掺杂能量转换薄膜材料的制备及应用研究

摘要

社会经济快速的发展，消耗的能源日益增多，并且资源短缺，环境污染带来了一系列新的问题，所以材料的研究开始向着新型能源和再生能源快速发展。最近几年稀土掺杂能量转换薄膜在新能源领域受到了广泛关注。由于薄膜材料与太阳能电池结合方式简单，掺杂均匀，基于薄膜基质的稀土掺杂成为近年来的研究热点。我们利用稀土掺杂能量转换的薄膜，与太阳能电池简单结合，从而拓宽电池在不同光区的光谱响应。本论文以稀土材料为基础，对薄膜材料进行掺杂并研究薄膜的光学性质并进行系统研究。具体工作如下：
　　我们利用新颖的超声喷雾热解法，在不同退火温度下制备了稀土Er3+，Yb3+共掺杂ZnO薄膜。对不同的退火温度下薄膜的表面形貌和结晶程度进行系统的研究。通过薄膜的光谱测试发现我们制备的Er3+，Yb3+共掺杂的ZnO薄膜具有上转换效应，能将红外光转换为非晶硅太阳能电池可以吸收的可见光。我们还发现，引入薄膜的非晶硅太阳能电池在980nm激光器激发下能产生内光电效应。
　　研究了透明能量转换TiO2薄膜的制备，通过溶胶凝胶法对样品进行不同稀土离子的掺杂，发现Er3+,Yb3+掺杂的和Tm3+，Yb3+掺杂的TiO2薄膜具有荧光效应，均具有将红外光转变成可见光的能力。通过XRD发现随着退火温度的提高，薄膜的结晶度增强，不同稀土掺杂的TiO2薄膜的透明度很高，在可见光区透过率基本都保持在80％以上，是一种品质优良的光学薄膜。
　　采用高温裂解的方式，从三氟乙酸稀土盐中制备了小尺寸NaGdF4:12%Er3+@NaGdF4:10%Er3+的核壳结构粉末样品，通过XRD和TEM观察了样品的结构和形貌，使用环己烷和酒精将样品调配成分散性好，喷墨打印机可以使用的打印墨水。并通过喷墨打印机将样品均匀的在非晶硅电池上形膜，发现薄膜的上转换效应能够提高非晶硅电池的效率，改善电池的性能。这一结论证明上转换薄膜材料与太阳能电池结合可以提高电池的性能，使得电池的效率从6.514%增加到8.147%。

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专用术语注释表

第一章 绪论

1.1 稀土掺杂材料以及应用

1.2 稀土掺杂能量转换薄膜及其制备方法

1.3 稀土掺杂能量转换薄膜的研究现状

1.4 本论文的主要研究

第二章 Er3+,Yb3+共掺杂能量转换ZnO薄膜的制备与研究

2.1 样品的制备与表征方法

2.2 样品的结构表征和分析

2.3 Er3+-Yb3+共掺杂ZnO薄膜的性质以及应用

2.4 本章小结

第三章 Yb3+-Re3+(Re=Tm, Er)掺杂TiO2能量转换薄膜的制备以及光学性质研究

3.1 样品的制备与表征方法

3.2 样品的表征及分析

3.3 不同稀土掺杂样品的发光性质

3.4 本章小结

第四章 NaGdF4:Er3+@NaGdF4:Er3+核壳结构薄膜的打印制备以及应用研究

4.1 纳米核壳结构的制备以及表征方法

4.2 样品的结构表征和分析

4.3 样品的光学性质以及成膜后应用研究

4.4 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 研究总结

5.2 展望

参考文献

附录一 攻读硕士学位期间撰写的论文

附录二 攻读硕士学位期间申请的专利

附录三 攻读硕士学位期间参加的科研项目

致谢