氮掺杂碳量子点太阳能荧光集光器的制备及性能研究

发布时间：2020-05-02 18:59

【摘要】：太阳能荧光集光器(LSC)是一种新型的聚光器件,它用大面积廉价的材料来代替传统聚光器件,减少昂贵的太阳能电池的使用面积,无需安装追踪装置和冷却系统,因此可降低光伏发电成本,且有望用于光伏建筑一体化(BIPV)。以前,有机染料经常作为荧光材料用于LSC中,但它们存在自吸收严重、稳定性差且成本高等缺点,导致LSC的效率不高。近年来,稳定性好、自吸收弱且荧光量子效率高的半导体量子点逐渐受到人们的关注。为了提高LSC的性价比,本文采用一步微波法制备了低毒的平均尺寸为2.8nm的氮掺杂碳量子点(N-CDs),将其作为荧光材料用于LSC中,聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)作为基质材料,制备了掺有N-CDs的块体型LSC,同时利用旋涂镀膜法制备了掺有N-CDs的薄膜型LSC,研究了N-CDs不同的掺入浓度对光波导材料光学性能和LSC的光电性能的影响。主要的研究结果如下:(1)利用一步微波法得到的N-CDs分散性好,粒径分布窄,平均尺寸为2.8±0.2 nm。表面由于羟基、羧基等亲水基团的存在,故其有很好的水溶性,且强供电子基团(如羟基、氨基等)能有效提高N-CDs的荧光发射强度。另外,N-CDs对300-600 nm范围内的光均有吸收,吸收峰大概位于350 nm处。通过荧光发射光谱的测量,N-CDs表现出很好的激发波长依赖性。(2)对于掺入N-CDs的块体型LSC,调整N-CDs的掺入浓度(0 wt%、0.02wt%、0.04 wt%、0.08 wt%),随着N-CDs掺入浓度的提高,样品的吸收强度增加且吸收峰出现了红移(从344 nm增加到359 nm),同时样品的荧光强度增加,荧光发射峰出现红移。当N-CDs掺入浓度为0.08 wt%时,LSC的光电流密度J_(sc)、开路电压V_(oc)、光学效率η_(opt)、填充因子FF和功率转换效率η的值分别为9.29mA/cm~2,0.47 V,12.23%,60.72%和2.63%。(3)对于掺入N-CDs的薄膜型LSC,调整N-CDs的掺入浓度(0 wt%、0.1wt%、0.3 wt%、0.5 wt%)和薄膜厚度,随着N-CDs掺入浓度和薄膜厚度的增加,N-CDs/PMMA复合薄膜对光的吸收增加。对于N-CDs低掺入浓度(如0.1 wt%)而言,N-CDs/PMMA复合薄膜的荧光强度及所制得的薄膜型LSC的效率均随着膜厚的增加而增加;而对于N-CDs高掺入浓度(如0.3 wt%、0.5 wt%)而言,N-CDs/PMMA复合薄膜的荧光强度及所制得的薄膜型LSC的效率均是随着膜厚的增加呈现出先增加后降低的趋势。对本次实验而言,N-CDs掺杂浓度为0.3 wt%,厚度为6.67μm的N-CDs/PMMA复合薄膜制备所得的LSC获得最大光电转换效率η为3.94%。最后,稳定性测试表明,将样品置于室外四个月,发现荧光强度也只下降了29%,光学效率也仅仅下降了22%。
【图文】：

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为了降低光伏发电的成本，如何能简单有效地收集太阳光是问题的关键所在，此时，聚光型光伏发电技术应运而生，它的原理是让大面积太阳光经过不同途径聚集在小面积太阳能电池上，通过提高太阳能电池单位面积的光强、减少其使用面积来减少发电成本。通过聚光方式的不同一般可以分为物理聚光和荧光聚光。1.2.1 物理型太阳能集光器物理型太阳能集光器是将太阳光通过反射镜或透镜聚集到面积很小的太阳能电池上，提高光能密度，同时减少了电池用量，达到降低成本的目的[7,8]。物理型太阳能集光器一般由光学聚光系统、太阳能电池和太阳跟踪器等组成，按其聚光的方法可分成反射式集光器和折射式集光器[9,10]。图 1-1a 为传统的反射式集光器的结构示意图，利用凹面镜将太阳光会聚于焦点，再通过另一个反射镜将光再反射到高效率太阳能电池上，反射式聚光系统的实物图如图 1-1b 所示。

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图 1-2 折射式太阳能集光器结构示意图集光器的发电量为该电池在一般光照条件下配复杂的太阳跟踪装置，，这样就使得太阳能阳辐射中有约 40%不能被太阳能电池所吸收到太阳能电池上，加剧了太阳能电池的热效下降，这就导致了物理聚光系统中太阳能电理型太阳能集光器能让电池单位面积的输出太阳跟踪装置和冷却装置，导致光伏发电成广泛使用[11]。光集光器能荧光集光器的工作原理
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB383.2;TH74

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