🔍 Поиск готовых работ

🔍 Поиск работ

АПКОНВЕРСИОННЫЕ ФТОРИДНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ УВЕЛИЧЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЙ

Работа №74672

Тип работы

Магистерская диссертация

Предмет

физика

Объем работы64
Год сдачи2020
Стоимость4840 руб.
ПУБЛИКУЕТСЯ ВПЕРВЫЕ
Просмотрено
58
Не подходит работа?

Узнай цену на написание


ВВЕДЕНИЕ 5
ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 7
1.1. Применение апконверсионных материалов в фотовольтаике 7
1.2. Исследование апконверсионной люминесценции при возбуждении в
области 1.5 мкм 13
1.3. Исследование апконверсионной люминесценции при возбуждении в
области 980 нм 18
1.4. Реальное применение апконверсионных материалов в кремневых
кристаллических солнечных элементах 21
ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ, ОПИСАНИЕ УСТАНОВОК И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 26
2.1 Объекты исследования 26
2.2 Описание установок и методов для регистрации спектров поглощения и
люминесценции ионов Er3+и Ho3+в монокристаллах CaF2-SrF2:Er3+, CaF2- SrF2:Ho3+и LiLiF4:Er 27
2.3 Методика определения внутреннего и внешнего энергетического выхода
апконверсионной люминесценции 30
2.4 Методика определения координат цветности и коррелированной
цветовой температуры 35
ГЛАВА 3. АПКОНВЕРСИОННАЯ ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ МОНОКРИСТАЛЛОВ CaF2-SrF2:Er, CaF2-SrF2:Ho И LiLuF4:Er ПРИ ВОЗБУЖДЕНИИ ИНФРАКРАСНЫМ ЛАЗЕРНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ 39
3.1 Апконверсионная люминесценция монокристаллов CaF2-SrF2:Er при
возбуждении на уровень 4I13/2 ионов Er3+ 39
3.2 Апконверсионная люминесценция монокристаллов LiLuF4:Er при
возбуждении на уровень 4I13/2 ионов Er3+ 45
3.3 Апконверсионная люминесценция монокристаллов CaF2-SrF2:Ho при
возбуждении на уровень 5I7 ионов Ho3+ 50
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 55
Список используемой литературы 57


Солнечные батареи являются безопасным, экологически чистым и дешевым источником энергии. В настоящее время они используются в самых различных отраслях и применяются в электромобилях, в авиации, в дорожном покрытии, в космических аппаратах, в медицине, в портативной электронике, в энергообеспечении зданий. Однако существует проблема, заключающаяся в спектральной ограниченности этих фотоэлектрических устройств. Например, область преобразования солнечного излучения в электрическую энергию для солнечных панелей из кристаллического кремния, лежит в диапазоне 350-1100 нм. До 19% энергии солнца не используется солнечными батареями. В связи с этим, расширение спектрального диапазона работы и увеличение эффективности солнечных ячеек является важной задачей для исследователей. Использование апконверсионных материалов способных преобразовывать инфракрасное излучение в люминесценцию входящую в рабочий диапазон солнечных элементов является одним из решений данной проблемы [1-2]. Таким образом, актуальной задачей фотовольтаики является поиск эффективных антистоксовых материалов для солнечных батарей.
В данном исследовании в качестве таких апконверсионных материалов выступали фторидные монокристаллы, легированные редкоземельными ионами Er3+и Ho3+. Исследование эффективности данных кристаллов для применения в солнечной энергетике, основывается на проведении глубокого изучения их спектрально-люминесцентных и энергетических характеристик. В соответствии с этим, целью настоящей выпускной работы являлось: исследование апконверсионной люминесценции фторидных монокристаллов при возбуждении инфракрасным лазерным излучением для применения в фотовольтаике.
Для достижения поставленной цели в данной работе решались следующие задачи:
1) исследование спектрально-люминесцентных свойств кристаллов CaF2-SrF2:Er, LiLuFyEr и CaF^SrFy
2) исследование механизмов апконверсионной люминесценции кристаллов CaF2-SrF2:Er, LiLuFyEr и CaF2-SrF2:Ho при возбуждении инфракрасным лазерным излучением в диапазоне 1.5-2 мкм;
3) определение количественных характеристик апконверсионной люминесценции кристаллов CaF2-SrF2:Er, LiLuFyEr и CaF2-SrF2:Ho: энергетический выход, координаты цветности и коррелированные цветовые температуры;
4) оценка эффективности использования кристаллов CaF2-SrF2:Er, LiLuFyEr и CaF2-SrF2:Ho для увеличения кпд работы солнечных батарей.


Возникли сложности?

Нужна помощь преподавателя?

Помощь в написании работ!
ДИПЛОМНЫЕ МАГИСТЕРСКИЕ ДИССЕРТАЦИИ
КУРСОВЫЕ СТАТЬИ ВКР

В настоящей работе исследовалась апконверсионная люминесценция фторидных кристаллов со структурой флюорита и шеелита, легированных ионами Er3+и Ho3+, при возбуждении инфракрасным лазерным излучением.
В работе получены следующие основные результаты:
1) Предложен способ увеличения кпд двухсторонних солнечных батарей на основе кристаллического кремния за счет дополнительного апконверсионного преобразования солнечного излучения в области 1.4 -2.1 мкм.
2) Проведенное исследование показало, что кристаллы CaF2-SrF2:Er обладают интенсивной апконверсионной люминесценцией обусловленной электронными переходами 2HH/2^4I15/2,%/2^4115/2, 5F9/2^4I15/2, 419/2^4115/2, 4I11/2^4I15/2ионов Er3+при возбуждении лазерным излучением в области 1.5 мкм. Для исследованных составов с концентрациями ионов Er3+0.5%, 1%, 1.5% и 2% наблюдается свечение с коррелированными цветовыми температурами в диапазоне 1737 K, 2585 K, 3136 K и 3904 К, соответственно. Изменение плотности мощности возбуждения в диапазоне 100-300 Вт/см2 не приводит к изменению КЦТ излучения люминофоров. Максимальное значение энергетического выхода антистоксовой люминесценции в спектральных диапазонах 380-1100 нм и 380-780 нм составило 11.4% и 2.1%, соответственно.
3) Кристаллы CaF2-SrF2:Er обладают широкими полосами поглощения в инфракрасной спектральной области и способны поглощать широкий спектральный диапазон излучения солнца как на поверхности земли, так и над атмосферой. Полученные результаты позволяют сделать вывод, что кристаллические соединения CaF2-SrF2:Er могут быть использованы для увеличения эффективности работы солнечных батарей.
4) При возбуждении излучением с длиной волны 1532 нм кристаллы LiLuF4:Er обладают апконверсионной люминесценции в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне спектра. Наблюдаемая люминесценция соответствует переходам 2H9/2 — 4I15/2, 4F5/2 — 4I15/2, 4F7/2 — 4I15/2, 2Hii/2 — 4I15/2, 4S3/2 — 4I15/2, 4F9/2 — 4I15/2, 4I9/2 — 4I15/2 и 4I11/2 — 4I15/2 ионов Er3+. Данные соединения обладают зеленым свечением, которое соответствует изменению цветовой температуры 5138 K, 5482 K и 5496 K для концентраций 5%, 10% и 15% ионов Er3+, соответственно. Изменение концентраций ионов Er3+не приводит к значительным изменениям отношения интенсивности люминесценции в красном и зеленом спектральном диапазоне длин волн.
5) Максимальный энергетический выход люминесценции для диапазона
380-1100 нм составил 10 % и соответствовал кристаллу LiLuF4:Er(10%). Широкие полосы поглощения, высокое значение сечения поглощения и энергетического выхода делают монокристаллы LiLuF4:Er(10%) перспективными кандидатами для использования в солнечных батареях.
6) Кристаллы CaF2-SrF2:Ho при возбуждении лазерным излучением в
области 2 мкм обладают интенсивной апконверсионной люминесценцией, ТЛ/ХТЧ/МЛЛ /т /хгтт» Л'-Г'/'Ч'-r'TIX ГЛОТ ТТЛ1ЛЛЛ7/" ТТЛ» I 5 L' _5Т 5с F5 L* Х.5т 5 Г к_5Т 5т <5т которая соответствует переходам F3——I8, S2(F4)——I8, F5——I8, I4——I8, 5I5—5I8, 5F5—5I7 ионов Ho3+. Процессы межионного взаимодействия
доминируют в загрузке верхних энергетических уровней ионов Ho3+в кристаллах CaF2-SrF2 при возбуждении на уровень 5I7 этих ионов. Красное свечение кристаллов CaF2-SrF2:Ho характеризуется коррелированными цветовыми температурами в диапазоне 5112 K - 6827 K. Наблюдаемые спектры люминесценции располагаются близко к области максимальной спектральной чувствительности кристаллического кремния из которого изготавливают солнечные элементы.
7) Максимальное значение энергетический выхода люминесценции в области 380-1100 нм составило 0.7%. Анализ полученных данных позволяет сделать вывод, что кристаллы CaF2-SrF2:Ho способны эффективно поглощать излучение солнца в области 2 мкм над атмосферой земли и преобразовывать его в излучение, которое хорошо поглощается кремниевой солнечной панелью.



1. Upconverter silicon solar cell devices for efficient utilization of sub-band-gap photons under concentrated solar radiation / S. Fischer [et al.]; IEEE Journal of Photovoltaics., 2014. - Vol. 4. - P. 183.
2. Enhancement of dye sensitized solar cell efficiency through introducing concurrent upconversion/downconversion core/shell nanoparticles as spectral converters / T. Chen [et al.]; Electrochimica Acta., 2018. - Vol. 282. - P. 743.
3. Near-IR triggered photon upconversion: imaging, detection, and therapy / D. Burbano [et al.]; Handbook on the Physics and Chemistry of Rare Earths., 2015. - Vol. 47. - P. 273-347.
4. NIR-to-NIR two-photon excited CaF2:Tm3+,Yb3+ nanoparticles: multifunctional nanoprobes for highly penetrating fluorescence bio-imaging / N. Dong [et al.]; ACS Nano., 2011. - Vol. 5. - P. 8665-8671.
5. Upconversion nanoparticles in biological labeling, imaging, and therapy / F. Wang [et al.]; Analyst., 2010. - Vol. 135. - P. 1839-1854.
6. Upconversion for photovoltaics - a review of materials, devices and concepts for performance enhancement / J. Goldschmidt [et al.]; Adv. Optical Materials., 2015. - Vol. 3. - P. 510-537.
7. An extended model for upconversion in solar cells / V. Badescu [et al.]; J. Appl. Phys., 2008. - Vol. 104. - P. 113120.
8. Detailed balance limit of efficiency of p-n junction solar cells / W. Shockley, H.
J. Queisser; J. Appl. Phys., 1961. - Vol. 32. - P. 510-519.
9. Limiting efficiency of generalized realistic c-Si solar cells coupled to ideal upconverters / C. M. Johnson [et al.]; J. Appl. Phys., 2012. - Vol. 112. - P. 103108.
10. Improving solar cell efficiencies by up-conversion of sub-band-gap light / T. Trupke [et al.]; J. Appl. Phys., 2002. - Vol. 92. - P. 4117-4122.
11. The spectra of the doubly and triply ionized rare earths / G. H. Dieke [et al.]; Appl. Opt., 1963. - Vol. 2. - P. 675-686.
12. New regularities in the spectra of the alkane earths / H. N. Russell, F. Saunders; Astrophys. J., 1925. - Vol. 61. - P. 38.
13. Spectroscopy and electronic structure of inorganic solid / B. Henderson [et al.]; Optical spectroscopy of inorganic solids, Oxford University Press, Oxford, UK,
2006.
14. Zwischenmolekulare energiewanderung and fluoreszenz / T. Forster; Ann. Phys., 1948. - Vol. 66. - P. 55.
15. A theory of sensitized luminescence in solids / D. L. Dexter; J. Chem. Phys., 1953. - Vol. 21. - P. 836-850.
16. Absolute quantum yield measurements of colloidal NaYF4:Er3+,Yb3+
upconverting nanoparticles / J-C Boyer, F. C. J. M. van Veggel; Nanoscale.,
2010. - Vol. 2. - P. 1417-1419.
17. Optimizing infrared to near infrared upconversion quantum yield of 0- NaYF4:Er3+ in fluoropolymer matrix for photovoltaic devices / A. Ivaturi [et al.]; J. Appl. Phys., 2013. - Vol. 114. - P. 013505.
18. Broadband photoluminescent quantum yield optimisation of Er3+-doped 0- NaYF4 for upconversion in silicon solar cells / S.K.W. MacDougall [et al.]; J. Appl. Phys., 2014. - Vol. 128. - P. 18-26.
19. Upconversion quantum yield of Er3+-doped 0-NaYF4 and Gd2O2S: The effects of host lattice, Er3+ doping, and excitation spectrum bandwidth / S. Fisher [et al.]; J. Lumin., 2014. - Vol. 153. - P. 281-287.
20. Highly efficient NIR to NIR and VIS upconversion in Er3+ and Yb3+ doped in M2O2S (M = Gd, La, Y) / M. Pokhrel [et al.]; J. Mater. Chem., 2013. - Vol. 1. - P. 11595-11606.
21. Highly Efficient IR to NIR Upconversion in Gd2O2S:Er3+ for Photovoltaic Applications / R. Martin-Rodriguez [et al.]; Chem. Mater., 2013. - Vol. 25. - P. 1912-1921.
22. Investigation of the mechanisms of upconversion luminescence in Ho3+ doped CaF2 crystals and ceramics upon excitation of 5I? level / A.A. Lyapin [et al.]; J. Lumin., 2015. - Vol. 167. - P. 120-125.
23. Visualiser of two-micron laser radiation based on Ho:CaF2 crystals / A.A. Lyapin [et al.]; Quantum Electron., 2014. - Vol. 44. - P. 602-605.
24. Site-selective energy upconversion in CaF2:Ho3+/ S. R. Bullock [et al.]; J. Opt. Soc. Am. B., 1997. - Vol. 14. - P. 553-559.
25. Site-selective spectroscopy of CaF2:Ho3+/ M. B. Seelbinder, J. C. Wright; Phys. Rev. B., 1979. - Vol. 20. - P. 4308-4320.
26. Enhancing the near-infrared spectral response of silicon optoelectronic devices via up-conversion / B. S. Richards, A. Shalav; IEEE Trans Electron Devices.,
2007. - Vol. 54. - P. 2679-2684.
27. Enhancement of silicon solar cell efficiency by upconversion: Optical and electrical characterization / S. Fischer [et al.]; J. Appl. Phys., 2010. - Vol. 108. - P. 044912.
28. Absolute upconversion quantum yield of 0-NaYF4 doped with Er3+ and external quantum efficiency of upconverter solar cell devices under broad-band excitation considering spectral mismatch corrections / S. Fischer [et al.]; Sol. Energy Mater. Sol. Cells., 2014. - Vol. 122. - P. 197-207.
29. Intense visible and near infrared upconversion in M2O2S:Er (M=Y, Gd, La) phosphor under 1550 nm excitation / G. A. Kumar [et al.]; Mater. Lett., 2012. - Vol. 68. - P. 395-398.
30. Intensity-dependent upconversion efficiencies of Er3+ ions in heavy-metal fluoride glass / D. C. Yeh [et al.]; J. Appl. Phys., 1991. - Vol. 69. - P. 1648-1653.
31. Neodymium-doped fluorochlorozirconate glasses as an upconversion model system for high efficiency solar cells / B. Ahrens [et al.]; Phys. Status Solidi A.,
2008. - Vol. 205. - P. 2822-2830.
32. Strong 1.53 pm to NIR-VIS-UV upconversion in Er-doped fluoride glass for high-efficiency solar cells / S. Ivanova, F. Pelle; J. Optical Soc. Am. B., 2009. - Vol. 26. - P. 1930-1938.
33. Ho3+-doped nanophase glass ceramics for efficiency enhancement in silicon solar cells / F. Lahoz; Opt. Lett., 2008. - Vol. 33. - P. 2982-2984.
34. Dopant distribution in a Tm3+-Yb3+ codoped silica based glass ceramic: An infrared-laser induced upconversion study / F. Lahoz [et al.]; J. Chem. Phys., 2004. - Vol. 120. - P. 6180-6190.
35. Infrared-to-visible CW frequency upconversion in Er3+-doped fluoroindate glasses / C. B. deAraujo [et al.]; Appl. Phys. Lett., 1996. - Vol. 68. - P. 602-604.
36. Upconversion of 1.54 gm radiation in Er3+ doped fluoride-based materials for c-Si solar cell with improved efficiency / F. Pelle [et al.]; EPJ Photovoltaics.,
2011. - Vol. 2. - P. 20601.
37. BaY2F8 doped with Er3+: An upconverter material for photovoltaic application / A. Boccolini [et al.]; J. Appl. Phys., 2013. - Vol. 114. - P. 064904.
38. Record efficient upconverter solar cell devices with optimized bifacial silicon solar cells and monocrystalline BaY2F8:30% Er3+ upconverter / S. Fischer [et al.]; Sol. Energ. Mat. Sol. C., 2015. - Vol. 136. - P. 127-134.
39. Rare-earth-doped oxysulfides for GaAs-pumped luminescent devices / P. Yocom [et al.]; Metallurg. Trans., 1971. - Vol. 2. - P. 763-767.
40. Infrared-to-visible conversion by rare-earth ions in crystals / L. Johnson [et al.]; J. Appl. Phys., 1972. - Vol. 43. - P. 1125-1137.
41. NaLnF4.Yb3+,Er3+ (Ln:Y,Gd,La): efficient green-emitting infrared-excited phosphors / T. Kano [et al.]; J. Electrochem. Soc., 1972. - Vol. 119. - P. 1561-1564.
42. NaYF4 :Yb,Er-an efficient upconversion phosphor* / N. Menyuk [et al.]; Appl. Phys. Lett., 1972. - Vol. 21. - P. 159-161.
43. Influence of host lattice on the infrared-excited visible luminescence in Yb3+, Er3+-doped fluorides / L. Sommerdijk; J. Lumin., 1973. - Vol. 6. - P. 61-67.
44. Upconversion spectroscopy and properties of NaYF4 doped with Er3+, Tm3+ and/or Yb3+/ J. F. Suyver [et al.]; J. Lumin., 2006. - Vol. 117. - P. 1-12.
45. Upconversion-pumped luminescence efficiency of rare-earth-doped hosts sensitized with trivalent ytterbium / R. Page [et al.]; J. Optical Soc. Am., 1998.
- Vol. 15. - P. 996.
46. Highly efficient near-infrared to visible up-conversion process in NaYF4: Er3+; Yb3+/ J. F. Suyver [et al.]; J. Lumin., 2005. - Vol. 114. - P. 53-59.
47. Novel materials doped with trivalent lanthanides and transition metal ions showing near-infrared to visible photon upconversion / J. F. Suyver [et al.]; Optical Mater., 2005. - Vol. 27. - P. 1111-1130.
48. Size-dependent maximization of upconversion efficiency of citrate-stabilized P-phase NaYF4:Yb3+,Er3+ crystals via annealing / N. C. Dyck [et al.]; ACS Appl. Mater. Inter., 2013. - Vol. 5. - P. 11661-11667.
49. The application of up-converting phosphors for increased solar cell conversion efficiencies / B. S. Richards [et al.]; resented at Proc. 3rd World Conf. Photovoltaic Energy Conversion, Osaka, Japan., 2003.
50. Application of NaYF4:Er3+ up-converting phosphors for enhanced near¬infrared silicon solar cell response / A. Shalav [et al.]; Appl. Phys. Lett., 2005.
- Vol. 86. - P. 13505.
51. Bifacial n-type silicon solar cells for upconversion applications / M. Rudiger [et al.]; Sol. Energ. Mat. Sol. C., 2014. - Vol. 128. - P. 57-68.
52. Dissertation Albert-Ludwigs Universitat Freiburg / S. Fisher; 2014. - (ISBN 978-3-8396-0785-5) .
53. Upconverter silicon solar cell devices for efficient utilization of sub-band-gap photons under concentrated solar radiation / S. Fischer [et al.]; EEE J. Photovoltaics., 2014. - Vol. 4. - P. 183-189.
54. Enhanced up-conversion for photovoltaics via concentrating integrated optics / G. E. Arnaoutakis [et al.]; EEE J. Photovoltaics., 2014. - Vol. 22. - P. A452- A464.
55. Upconverted fluorescence in Er-doped ZBLAN glasses for high efficiency solar cells / B. Henke [et al]; Nanoscale Photonic and Cell Technologies for Photovoltaics II, San Diego, California, USA., 2009. - Vol. 7411. - P. 74110.
56. Experimental enhancement of the photocurrent in a solar cell using upconversion process in fluoroindate glasses exciting at 1480 nm / M. A. Hernandez-Rodriguez [et al.]; Sol. Energ. Mat. Sol. C., 2013. - Vol. 116. - P. 171-175.
57. Структура, спектрально-люминесцентные и генерационные свойства наноструктурированной керамики CaF2:Tm / П. А. Рябочкина [и др.]; Квантовая электроника., 2012. - Т. 42. - С. 853-857.
58. Спектрально-люминесцентные и генерационные свойства кристаллов натрий-лантан (гадолиний) молибдатов и вольфраматов, активированных ионами Tm3+/ Ф. А. Больщиков [и др.]; Диссертация кандидата физико-математических наук., 2010. - С. 117.
59. Справочник по лазерам. Т. 1. // М.: Советское радио. - 1978.
60. Upconversion and anti-stokes processes with f and d ions in solids / F. Auzel [et al.]; Chem. Rev., 2004. - Vol. 104. - P. 139-173.
61. Absolute efficiency for IR to blue conversion materials and theoretical prediction for optimized matrices / F. Auzel, D. Pecile; J. Lumin., 1976. - Vol. 11. - P. 321-330.
62. Critical review of the determination of photoluminescence quantum yields of luminescent reporters / C. Wurth [et al.]; Anal. Bioanal. Chem., 2014. - Vol. 407. - P. 59-78.
63. Relative and absolute determination of fluorescence quantum yields of transparent samples / C. Wurth [et al.]; Nature Protocols., 2013. - Vol. 8. - P. 1535-1550.
64. Absolute photoluminescence quantum yields of IR-26 Dye, PbS, and PbSe quantum dots / O. E. Semonin [et al.]; J. Phys. Chem. Lett., 2010. - Vol. 1. - P. 2445-2450.
65. Absolute photoluminescence quantum yields of IR26 and IR-emissive Cd1- xHgxTe and PbS quantum dots - Method- and material-inherent challenges / S. Hatami [et al.]; Nanoscale., 2015. - Vol. 7. - P. 133-143.
66. Джадд Д. Цвет в науке и технике / Д. Джадд, Г. Вышецки - М.: Мир, 1978.
67. Прытков С. В Основы светотехники и колориметрии: лабораторный практикум / С. В. Прытков. - Саранск: Издатель В. С. Афанасьев, 2020. — 72 с. ISBN 978-5-907131-62-0
68. Parameterized transmittance model for direct beam and circumsolar spectral irradiance / C. Gueymard; Solar Energy., 2001. - Vol. 71. - P. 325-346.
69. The sun’s total and spectral irradiance for solar energy applications and solar radiation models / C. Gueymard; Solar Energy., 2004. - Vol. 76. - P. 423-453.
70. World Radiation Center (WRC) / C. Wehrli, 1985, Publication No. 615.
71. Improved Data of Solar Spectral Irradiance from 0.33 to 1.25 p / H. Neckel, D. Labs; Solar Physics., 1981. - Vol. 74. - P. 231-249.
72. High Efficiency Silicon Solar Cells / M. Green; Seventh E.C. Photovoltaic Solar Energy Conference., 1987. - P. 681-687.
73. Solar cell spectral response measurement errors related to spectral band width and chopped light waveform / H. Field; 26rd IEEE Photovoltaic Specialists Conference., 1997. - P. 471-474.

Работу высылаем на протяжении 30 минут после оплаты.




©2025 Cервис помощи студентам в выполнении работ
.