稀土摻杂量子剪裁发光材料在晶硅太阳能电池中的应用基对研究

摘要

目前，传统能源面临枯竭且带来严重的环境污染，这成为制约全球经济发展的瓶颈。为此，以太阳能为代表的可再生清洁能源成为新一代能源体系的发展方向。晶硅太阳能电池是目前最合理、有效利用太阳能的装置，然而，在实际生产中其光电转换效率仅达19.0%，远低于31%的最大理论值。在限制电池效率的诸多因素中，光谱错配是一个重要的原因。在照射到地面的太阳光谱中(λ=300～2500nm)，仅能量在晶硅带隙宽度附近(Eg=1.12 eV，λ=900～1100nm)的光才会被电池充分吸收利用。对于能量较高的紫外-可见光子除有效激发电池中的电子-空穴对以外，其余能量以晶格热振动而损耗；而对于能量较低的近红外光子(λ＞1100nm)则因透过损失而不能被电池吸收利用。这两部分能量损耗约占太阳光谱总能量的65%，从而严重制约了晶硅电池的转换效率。因此，如何对太阳光谱进行合理调配，增强晶硅电池对太阳光谱的利用而提高其转换效率已成为目前关注的焦点。为此，可以Trupke等提出的提高太阳能电池效率的下转换模型为理论基础，通过稀土离子掺杂来制备近红外量子剪裁发光材料，充当下转换层的作用，将太阳光谱中一个能量较高的紫外．可见光子转换为900～1100nm的两个近红外光子，增强晶硅对太阳光谱的响应以提高电池的转换效率。　　本论文旨在探索合适的稀土离子对，以实现高效近红外量子剪裁，并深入探索量子剪裁机理，为实验的可行性提供理论支持。同时选择声子能量低、稳定性强、透光率高、耐切割的微晶玻璃为掺杂基质，为近红外量子剪裁发光材料用于晶硅太阳电池提供实验可行性。具体的研究内容如下：　　以高温固相法制备了Eu2+-Yb3+共掺α-SrAl2O4荧光粉，将范围较宽、能量较高的250～450nm紫外波段裁剪为900～1100 nm的近红外光谱，机理为合作下转换，最高量子效率高达173.68%;这为增强晶硅对太阳光谱吸收、提高晶硅电池转换效率提供了理论依据。　　采用熔融析晶法制备氧氟微晶玻璃作为基质，在其中实现了Er3+-Yb3+共掺及量子剪裁，其机理为交叉弛豫与直接能量传递组成的两步能量传递。与合作能量下转换相比，两步能量传递具有掺杂浓度低、量子效率高等优点；且制备的氧氟微晶玻璃声子能量低、稳定性强、透光率高、耐切割；因此有望用作晶硅太阳电池的下转换层从而提高转换效率。但由于Er3+的吸收截面较窄，限制了Er3+→Yb3+实际量子剪裁效率较低。经研究发现，Ce3+吸收截面宽且在氧氟微晶玻璃中发射谱是350~600nm宽峰，与Er3+激发谱重叠，因此在氧氟微晶玻璃中Ce3+对Er3+具有良好的敏化作用。通过Ce3+-Er3+-Yb3+三掺可实现Ce3+对Er3+→Yb3+的敏化，在Yb3+掺杂浓度极低的条件下，使其发光强度增强为原来的～10倍，提高了实际量子效率，并拓宽稀土离子对太阳光谱的吸收利用范围。　　研究了在氧氟微晶玻璃中共掺Pr3+-Yb3+实现量子剪裁，利用两步交叉弛豫理论揭示了其能量传递机理，量子效率高达185.0%;该材料在用作晶硅太阳电池下转换层从而提高转换效率方面具有极大的潜力。　　采用熔融析晶法制备了Y3Al5012(YAG)微晶玻璃，作为基质在其中共掺Nd3+-Yb3+实现了量子剪裁，其机理为两步交叉弛豫，量子效率高达179.34%。制备的YAG微晶玻璃具有性能稳定、透光率高、稀土离子掺杂均匀等优点，可用于晶硅电池下转换层从而极大提高电池转换效率。研究发现：Nd3+的吸收截面较窄，导致Nd3+-Yb3+实际量子剪裁效率较低。为解决该问题，我们创新性的提出了在YAG微晶玻璃中三掺Ce3+-Nd3+-Yb3+以进一步提高量子效率，通过Ce3+对Nd3+→Yb3+的敏化作用大幅增强了Yb3+的发光强度，提高了该材料的实际量子效率。该工作为进一步拓宽稀土离子对太阳光谱的吸收利用提供了新思路。

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