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Yb3+/Er3+共掺TiO2上转换光致发光材料的制备与表征

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目录

声明

学位论文的主要创新点

摘要

第一章 前言

1.1 全球能源危机及解决思路

1.2 稀土掺杂上转换发光材料简介

1.2.1 稀土掺杂上转换发光材料

1.2.2 稀土掺杂上转换发光材料的组成

1.3 上转换材料的发光机制及其发光效率的影响因素

1.3.1 上转换发光机制

1.3.2 上转换材料的发光效率

1.4 稀土离子掺杂上转换材料的研究历史和现状

1.5 常见光致发光材料制备方法

1.5.1 Sol-Gel法

1.5.2 高温固相法

1.5.3 燃烧法

1.5.4 水热法

1.5.5 沉淀法

1.6 常见镀膜方法

1.6.1 物理镀膜法

1.6.2 化学镀膜法

1.7 研究目标和内容

1.7.1 研究目的

1.7.2 研究内容

第二章 实验原料器材及表征设备

2.1 引言

2.1.1 基质材料TiO2

2.1.2 Yb3+、Er3+发光简介

2.2 实验器材和试剂

2.2.1 实验仪器及设备

2.2.2 实验试剂

2.2.3 玻璃基片的选择与清洗

2.3 样品的表征设备

2.3.1 接触角测量仪

2.3.2 热分析(TG/DTA)

2.3.3 X射线衍射仪(XRD)

2.3.4 场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)

2.3.5 紫外-可见光-近红外分光光度计(UV-vis-NIR)

2.3.6 上转换荧光分光光度计

2.3.7 长余辉寿命测试仪

第三章 Er3+/Yb3+共掺TiO2溶胶的制备及表征

3.1 引言

3.2 溶剂的选择

3.3 pH对凝胶时间的影响

3.4 反应温度对溶胶颜色、凝胶时间的影响

3.5 凝胶热分析

第四章 Er3+/Yb3+共掺杂TiO2粉体的合成与物理表征

4.1 引言

4.2 溶剂浓度的影响

4.2.1 溶剂浓度对Er3+/Yb3+共掺杂TiO2粉体物相的影响

4.2.2 溶剂浓度对Er3+/Yb3+共掺杂TiO2粉体形貌的影响

4.3 稀土掺杂量的影响

4.3.1 稀土掺杂量对Er3+/Yb3+共掺杂TiO2粉体物相的影响

4.3.2 稀土掺杂比对Er3+/Yb3+共掺杂TiO2粉体形貌的影响

4.4 煅烧温度的影响

4.4.1 煅烧温度对Er3+/Yb3+共掺杂TiO2粉体物相结构的影响

4.4.2 煅烧温度对Er3+/Yb3+共掺杂TiO2粉体形貌的影响

第五章 Er3+/Yb3+共掺杂TiO2薄膜的制备与形貌和上转换发光性能表征

5.1 引言

5.2 溶剂浓度的影响

5.2.1 溶剂浓度对Er3+/Yb3+共掺杂TiO2薄膜表面形貌的影响

5.2.2 溶剂浓度对Er3+/Yb3+共掺杂TiO2薄膜透光率的影响

5.3 稀土掺杂量的影响

5.3.1 稀土掺杂比对Er3+/Yb3+共掺杂TiO2薄膜表面形貌的影响

5.3.2 稀土掺杂比对Er3+/Yb3+共掺杂TiO2薄膜透光率的影响

5.4 上转换光致发光性能研究

第六章 结论

参考文献

发表论文和参加科研情况

致谢

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摘要

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。

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