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太阳能光伏产业因清洁、可再生而成为最有潜力的新兴能源产业之一。目前,硅基太阳能电池占据了市场的主导地位,虽历经了单晶硅,多晶硅,微晶硅,非晶硅等数十年的发展,当前光伏发电的成本仍然数倍,甚至十多倍于普通发电的成本。如何进一步提高硅电池效率,降低光伏发电的成本,是急迫的技术和经济问题。硅电池主要对太阳光谱的可见光,特别是黄绿光敏感,而对于占太阳光谱能量50%以上的红外光不敏感或者敏感度较低。本文拟利用稀土掺杂制备上转换光致发光材料,以期将太阳光谱中部分红外光上转换为可见光,为提高硅太阳能电池的光电转换效率的提供新的探索。
实验以钛酸正丁酯、异丙醇、硝酸镱和硝酸铒为起始原料,乙酰丙酮为络合剂,硝酸为催化剂,采用溶胶-凝胶法和旋转镀膜工艺制备镱、铒共掺杂二氧化钛光致发光粉体和薄膜。利用接触角测定仪测定玻璃基底和溶剂之间的接触角,选择最佳溶剂;通过TG、XRD、FE-SEM、紫外-可见-红外光分光光度计、荧光分光光度汁和荧光寿命测试仪,分别研究了溶剂浓度、稀土掺杂比、不同煅烧温度对粉体和薄膜物相组成、形貌结构及透射光谱等的影响,也研究了最终最优薄膜的上转换光致发光性能。主要结果如下:
(1)异丙醇与玻璃基底的接触角最小,被选为最佳溶剂;溶剂浓度摩尔比钛酸正丁酯/异丙醇为3/70.
(2)稀土掺杂比硝酸铒/硝酸镱为1/5时,制备粉体和薄膜物相组成和外观形貌都较优。
(3)煅烧温度为700℃时,所制备的Yb3+/Er3+共掺TiO2上转换光致发光粉体颗粒粒径均匀,形状规整圆润,呈现出良好的晶型,是较优的煅烧温度;煅烧温度为550℃时,制备薄膜表面平整光滑,粒径均匀,较少有团聚现象。
(4)随着溶剂浓度,稀土掺杂比的改变,可见光和紫外光部分的透光率分别发生变化,在钛酸正丁酯/异丙醇/乙酰丙酮/硝酸铒/硝酸镱摩尔比为3/70/1/0.12/0.60时,可见光部分透过率最高,红外线部分透过率最小,将这一配方比例下制备的薄膜进行上转换光致发光性能表征,能观察到明显的上转换现象,同时荧光分光光度计的测试结果表明此时镱、铒共掺杂薄膜具有较强的光致发光性能,这对该薄膜应用到太阳能电池上有着重要的意义。