太阳能热光伏用稀土氧化物选择性辐射体的制备及物性研究

Selective emitters have many potential applications in solar thermophotovoltaic systems, which has been one of the hot research topics for improving efficiency of solar cells. Due to their high melting points and narrow emission spectra, rare earth oxides Er2O3 and Yb2O3 are excellent selective emitter materials. However, up to date, the relationship between the intrinsic physical essence and the optical properties is still not clear. In this program, Selective emitters of rare earth oxide films, e.g. Er2O3 and Yb2O3, will be fabricated and their physical properties will be studied. By measuring the optical constants of rare oxide films, exploring the relations between their fabrication methods, microstructures, doping and optical properties, the thermal pumping and radiative de-excitation mechanism of rare earth oxide Selective emitters and their functions in solar thermophotovoltaic systems will be clarified. By optimization of fabricating parameter and doping other rare earth elements, e.g. Y, etc, Selective emitters, Er2O3 and Yb2O3, with strong photon-adsorption, narrow photoluminescence band, high intra-band radiative emission efficiency and high resistance on temperature fluctuation will be fabricated. The results will be useful at the fabrication and application of solar thermophotovoltaic systems by providing Selective emitter candidates and theoretical instructions.

选择性辐射体材料在太阳能热光伏系统中有着重要的应用前景，是目前提高太阳能电池效率研究的热点之一。稀土氧化物Er2O3和Yb2O3由于具有熔点高、发射光谱带窄等特点，是优异的选择性辐射体材料。但到目前为止，Er2O3和Yb2O3薄膜的内在物理本质与其光学性质之间关系的研究还非常缺乏。本项目主要开展Er2O3、Yb2O3选择性辐射体薄膜的制备和物理特性研究。测定稀土氧化物的光学参数，找出其制备工艺、微结构、掺杂和光学特性之间的内在关系与规律，弄清稀土氧化物选择性辐射体材料的非辐射激发、退激发机理及在太阳能热光伏系统中的作用和其物理机制。通过优化工艺参数及Y等稀土元素掺杂制备出对光的吸收能力强、光谱带窄、带内辐射发射率高、温度波动抵御能力强的Er2O3、Yb2O3选择性辐射体薄膜。为太阳能热光伏系统的制造和应用提供优异的选择性辐射体候选材料及理论上的指导。

选择性辐射体材料在太阳能热光伏系统中有着重要的应用前景，是目前提高太阳能电池效率研究的热点之一。本项目主要开展Er2O3、Yb2O3等稀土氧化物选择性辐射体薄膜的制备和物理特性研究。设计并制造了选择性辐射体材料测试用的高温红外测试系统，测试系统温度范围600℃至2000℃，连续可调；探测范围900-2100 nm。测定了稀土氧化物的物理参数，系统研究了其制备工艺、微结构、掺杂和光学特性之间的内在关系与规律，研究了稀土氧化物选择性辐射体材料的激发机理及在太阳能热光伏系统中的作用和其物理机制。XPS和真空紫外吸收谱显示非晶Er2O3、Tm2O3和Yb2O3三种稀土氧化物的禁带宽度值，分别为6.3 ±0.1 eV，5.8±0.1 eV和7.1±0.1 eV。高频C-V特性测试推算出Er2O3和Yb2O3薄膜的相对介电常数分别为15.2和13.6。在1～4 eV的入射光范围内Er2O3薄膜的折射率为1.66～1.79。对符合化学计量比的Er2O3薄膜，进行1100 ℃高温近红外测试发现，样品在1550 nm左右均出现了Er3+离子的特征辐射,表现出明显的选择辐射特性,这与GaSb光电池的吸收光谱相匹配。Al2O3的掺入可以有效改善Er2O3的热稳定性和化学稳定性。通过测试1500 K <T < 1900 K温度下样品的发射率。我们发现Er2O3在1540 k的发射率达到0.55的最大值，峰值在1.54 eV附近。为提高稀土氧化物发射体的选择辐射效率，我们设计了一种新型选择性辐射体，我们通过在Er2O3膜上增加一维Si/ Er2O3光子晶体。与稀土氧化物薄膜相比，增加光子晶体后，辐射器在波长大于1.8 μm的长波段的灰体辐射受到极大抑制，其红外辐射集中在1.2 μm到1.8 μm的极窄的光谱范围内，表现出优异的选择辐射特性，通过改变光子晶体膜厚，可以调节辐射体的辐射光谱分布。我们还进行了新型太阳能电池的探索，系统研究了界面化学状态对钙钛矿薄膜太阳能电池性能的影响研究。本项目无论从稀土氧化物选择性辐射体材料基础研究的角度还是从太阳能热光伏系统应用研究的角度都有意义。