面向太阳能电池的紫外-可见光全光谱敏化稀土氮化物光转换材料的设计、机理及应用研究

How to efficiently use important and clean solar energy becomes an important issue for sustainable development of society in the future. Solar cells and solar light storage material, also called persistent phosphor, have been expected to be an important way of solar energy utilization. Therefore, from the viewpoint of spectroscopy, the ultimate goal of this thesis is to answer how and whether rare earth elements could play a key role in efficiently utilize solar energy in order to improve the energy efficiency of solar cells. So far, the rare earth doped spectral convertors for solar cells have problems as follows: most of them are oxides, the spectral absorption is mainly at UV-blue region (part of solar energy is wasted), and most of the research is based on quantum-cutting mode. In this project, nitrides with strong covalency are chosen as hosts, and Ce3+/Eu2+ ions with broad band absorption are sensitizers to transfer energy to NIR luminescence center like Yb3+、Pr3+、Er3+. It’s hopeful that rare-earth doped nitride convertor with full-spectral absorption is get and the energy transfer mechanism is investigated.

太阳能光谱与太阳能电池的响应光区的不一致是导致太阳能电池光电转换效率低的主要原因。面向太阳能电池应用的光谱转换材料通过调整太阳光谱吸收来匹配太阳能电池光电响应，从而提高太阳能电池效率，在能源利用以及太阳能电池器件效率的提高方面具有重要的意义。针对目前面向太阳能电池的光谱转换材料存在如下问题：1)从基体材料类型来看，主要集中在氧化物体系；2)从光谱转换的结果来看，光谱吸收区域主要集中在紫外-蓝光区，大部分的可见光未被电池吸收利用；3)从光谱转换模式来看，大部分研究集中在量子剪裁方式。因此，本项目拟利用强共价性的氮化物为基质材料，利用Ce3+/Eu2+等稀土离子在氮化物中的宽带全光谱敏化特性，以获得在紫外-可见光区具有全光谱吸收性质的稀土氮化物太阳光谱转换材料，同时设计稀土离子在氮化物基质中的能量传递路径，探索能量传递机理以及在提高太阳能电池器件的光电效率应用中的可能性。

太阳能光谱（主要分布在可见光区）与太阳能电池的响应光区（1000 nm左右的近红外光区）的不匹配是导致太阳能电池对太阳光利用效率低的主要原因之一。具有适宜吸收和发射波长的光谱转换材料可将太阳光谱中不被充分吸收利用的紫外-可见光波段转换为太阳能电池光电响应相匹配的近红外波段，以提高太阳能电池对太阳光的利用。前期研究揭示出目前光转换材料的主要问题在于：光转换材料的光谱吸收区域主要集中在紫外-蓝光区，大部分的可见光未被电池吸收利用；从光谱转换的设计模式来看，大部分研究集中在量子剪裁（吸收一个高能光子而发射出两个低能光子）的方式。本项目以吸收紫外-可见光谱的氮化物材料为研究对象，通过稀土离子的共掺杂，调控材料对可见光的吸收利用波段，设计宽带全可见光谱吸收的光转换材料，同时研究近红外发光的位置以及能量传递效率。并且尝试将材料纳米化，试制光转换材料与硅太阳能电池的复合器件，探索材料在提高太阳能电池光电效率应用中的可能性。