適用于晶硅太陽能電池下轉(zhuǎn)換層的稀土摻雜玻璃性能研究.pdf

1、太陽能是一種取之不盡用之不竭的清潔能源。近年來，太陽能技術(shù)的發(fā)展顯示了其巨大優(yōu)勢。利用光生伏特效應(yīng)可以直接產(chǎn)生光生載流子，基于此，光伏太陽能電池應(yīng)運而生。目前，商用的晶硅太陽能電池作為光伏產(chǎn)業(yè)市場的主流，其效率只有18％。主要原因是晶硅太陽能電池的硅半導(dǎo)體帶隙吸收的太陽光與入射太陽光不匹配，即能量高的光子以晶格熱損失的形式將多余的能量散失掉而產(chǎn)生的能量傳遞損耗。
　　雖然能量低于硅半導(dǎo)體帶隙的光子，不能被晶硅太陽能電池吸收，太陽能

2、在低波長區(qū)域（300-500nm）仍占有不可忽視的分量，這部分能量要比近紅外波段的能量比例大。眾所周知，硅基太陽能電池的最大響應(yīng)波長為900-1100nm，如果我們能將低波長波段的光調(diào)制到硅基太陽能電池的最大響應(yīng)波段，在理論上可以將最大轉(zhuǎn)換效率提高到40%，這比肖克利-奎伊瑟極限效率提高了很多。目前的光譜調(diào)制實現(xiàn)主要依托的方法是光譜下轉(zhuǎn)換。按照量子效率是否可以高于100%，可將下轉(zhuǎn)換分為量子剪裁和下轉(zhuǎn)移兩種途徑。我們可以將制作成的下轉(zhuǎn)換

3、層附著于太陽能電池之上，使得太陽能電池能夠額外的吸收低波長區(qū)域的光進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。
　　目前關(guān)于近紅外的下轉(zhuǎn)換過程在很多稀土離子的共摻系統(tǒng)中已經(jīng)得到了實現(xiàn)。最常見的離子組合有 Tm3+-Yb3+組合、Tb3+-Yb3+組合、Pr3+-Yb3+組合、Ho3+-Yb3+組合以及Er3+-Yb3+組合，還有Ce3+-Yb3+、Eu2+-Yb3+的f-d寬帶激發(fā)組合。
　　在本論文中，我們首先討論的是Mn2+-Yb3+的近紅外下轉(zhuǎn)換組

4、合，主要研究Mn2+作為敏化劑對于Yb3+的敏化效果。我們選擇了氟氧化物硅酸鹽和磷酸鹽玻璃兩種基質(zhì)作為研究對象。Mn2+作為一種過渡金屬元素，是一種重要的無機(jī)熒光體。Mn2+的發(fā)光主要是由于 d-d的禁帶躍遷形式，表現(xiàn)為 Mn2+:4T1→6A1的典型躍遷。近年來，Mn2+離子在照明和顯示領(lǐng)域有很重要的作用，關(guān)于 Ce3+-Mn2+共摻的熒光粉和各種玻璃和微晶玻璃材料也被廣泛研究。但是Mn2+應(yīng)用于太陽能電池的近紅外下轉(zhuǎn)換層的玻璃材料研

5、究甚少。通過我們的研究發(fā)現(xiàn)，Mn2+-Yb3+離子對有望應(yīng)用于硅基太陽能電池的下轉(zhuǎn)換層，提高轉(zhuǎn)換效率。具體地說：首先我們在硅酸鹽和磷酸鹽玻璃兩種基質(zhì)都觀察到了370-500 nm的寬帶吸收，這為下轉(zhuǎn)換的實現(xiàn)提供了基礎(chǔ)。其次，我們通過激發(fā)光譜，發(fā)射光譜，和Mn2+的熒光衰減曲線證明了在兩種玻璃基質(zhì)下都存在Mn2+到Y(jié)b3+的能量傳遞。我們對存在的量子剪裁和下轉(zhuǎn)移兩個能量傳遞機(jī)制做了進(jìn)一步深入的分析，并從理論和實驗層面進(jìn)行了驗證。最后，通過

6、分析計算，得到兩種玻璃基質(zhì)中的最高量子效率分別為145.3%和165.9%。
　　接著，我們研究了Nd3+-Yb3+離子組合共摻雜于ZnO-Bi2O3-B2O3鉍酸鹽玻璃的結(jié)構(gòu)和光學(xué)性能。并對應(yīng)用于太陽能電池的可能性進(jìn)行了評估。通過激發(fā)光譜，發(fā)射光譜，證明了在鉍酸鹽玻璃基質(zhì)下存在 Nd3+到 Yb3+的能量傳遞。我們對可能存在的量子剪裁和下轉(zhuǎn)移能量傳遞機(jī)制做了進(jìn)一步深入的分析，并從理論和實驗層面進(jìn)行了驗證。通過Nd3+-Yb3+共