發(fā)布時間：2018-01-05 22:25

  本文關(guān)鍵詞：高效發(fā)光碳納米點制備及其作為下轉(zhuǎn)換材料在太陽電池上的應(yīng)用研究　出處：《上海交通大學(xué)》2015年碩士論文　論文類型：學(xué)位論文

  更多相關(guān)文章： 碳點 高量子產(chǎn)率 氨水 下轉(zhuǎn)換 硅納米線太陽電池

【摘要】：碳點類材料包括了納米金剛石、石墨烯量子點和碳點(碳量子點和碳納米點),作為一種環(huán)境友好型的發(fā)光材料一直是人們關(guān)注的熱點。由于其良好的生物相容性以及優(yōu)異的光學(xué)特性,在生物成像、化學(xué)離子檢測、光催化等領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。石墨烯量子點由于其獨特的能帶結(jié)構(gòu)及良好的電子傳輸特性,已被作為電子分離及傳輸層應(yīng)用到太陽電池上。目前,在太陽電池上應(yīng)用的發(fā)光材料還包括了半導(dǎo)體量子點、稀土離子以及分子熒光材料等,這些材料主要是作為下轉(zhuǎn)換層中的光子轉(zhuǎn)換材料應(yīng)用到太陽電池的前表面上。而關(guān)于發(fā)光碳點類材料作為下轉(zhuǎn)換材料在太陽電池上應(yīng)用的報道還非常少。本文主要圍繞高發(fā)光量子產(chǎn)率碳納米點的制備、性能表征、機理解釋以及其在硅納米線陣列太陽電池上的應(yīng)用方面來展開。首先,我們選擇檸檬酸作為碳源,乙二胺作為氮源,利用水熱法制備出了發(fā)光量子產(chǎn)率為76.7%的發(fā)光碳納米點。制備出的碳納米點同時含有sp2石墨型碳和sp3無定型碳兩種碳結(jié)構(gòu),其平均尺寸為3.7 nm,分別在239和348 nm處有兩個明顯的吸收峰,發(fā)射峰位位于439 nm,并且表現(xiàn)出了激發(fā)波長獨立的特性。較大的斯托克斯位移使其吸收帶和發(fā)光帶的重疊部分很小,有效的降低了自吸收損失,適合在太陽電池上作為下轉(zhuǎn)換材料應(yīng)用。其次,我們對碳納米點的ph效應(yīng)做了詳細的研究。發(fā)現(xiàn)碳納米點的吸收和發(fā)光均會受到ph環(huán)境的影響,這主要是由碳點表面官能團在不同ph環(huán)境下的質(zhì)子化和去質(zhì)子化作用導(dǎo)致的,說明了碳納米點的發(fā)光與其表面態(tài)有很大的關(guān)聯(lián)。另外,碳納米點激發(fā)獨立的光學(xué)性質(zhì)說明了碳納米點表面態(tài)比較單一,有利于較高的發(fā)光量子產(chǎn)率。第三,我們首次通過在反應(yīng)前驅(qū)物中加入氨水,使碳納米點的發(fā)光量子產(chǎn)率達到了84.8%,相對于無氨水的情況提升了10.56%。我們通過借助x射線光電子能譜(xps)、傅里葉變換紅外光譜(ftir)以及熒光壽命等手段,對不同氨水濃度條件下合成的碳納米點的結(jié)構(gòu)和發(fā)光量子產(chǎn)率之間的關(guān)系做了詳細的探討。研究發(fā)現(xiàn),碳納米點的發(fā)光量子產(chǎn)率與氧態(tài)成反比,與氮態(tài)和氧態(tài)的比值正相關(guān)。這主要是因為適量的氨水可以增強碳納米點的表面酰胺鍵并能夠有效的去除氧缺陷態(tài),減少非輻射復(fù)合或低效輻射復(fù)合的途徑,最終得到了高效發(fā)光的碳納米點。最后,我們成功的將制備的碳納米點作為下轉(zhuǎn)換材料應(yīng)用在了硅納米線陣列太陽電池上。需要注意的是,固態(tài)的碳納米點會由于其自身的聚合作用對表面態(tài)進行破壞,最終出現(xiàn)熒光淬滅的現(xiàn)象。為了解決這個問題,我們選擇了能夠與碳納米點相融合的高透明度的聚乙烯醇作為碳納米點的載體,并通過旋涂法在硅納米線陣列太陽電池上制備出了在365nm紫外燈照射下發(fā)射藍光的下轉(zhuǎn)換層,使器件的短路電流密度提升了0.30ma/cm2。通過借助太陽電池外量子效率光譜,我們發(fā)現(xiàn)器件的提升來自于下轉(zhuǎn)換貢獻、光場重新分布和反射率上升三方面的綜合結(jié)果。為了提取出下轉(zhuǎn)換對器件性能提升的貢獻,我們基于量子效率光譜建立了理論模型,定量提取出了下轉(zhuǎn)換的貢獻(43.3%)。
[Abstract]:Carbon materials include nano diamond, graphene quantum dots (QDs and carbon carbon and carbon nano dot), as a kind of environmentally friendly luminescent materials has been the focus of attention. Because of the compatibility and excellent optical properties of its good biological imaging in biology, chemical ion detection photocatalysis has been widely used. The graphene quantum dots due to their unique electronic band structure and good transmission characteristic, has been used as electron transport layer and separation applied to solar cells. At present, luminescent materials used in solar cells include semiconductor quantum dots, rare earth ions and molecules fluorescent materials, these materials are mainly as a down conversion layer in the conversion material applied to the front surface of the solar cell. And on the application of luminescent materials as carbon conversion materials in solar cells There are few reports. This article focuses on the characterization of the preparation, properties of high quantum yields of carbon nano point, explain the mechanism and its application in silicon nano wire array solar cells to unfold. Firstly, we choose citric acid as carbon source and ethylenediamine as nitrogen source, water heat produced by light the quantum yield of luminescence nano carbon 76.7%. Carbon nanodots prepared with SP2 type graphite carbon and SP3 non carbon two carbon structure shape, the average size is 3.7 nm, respectively in 239 and 348 nm has two obvious absorption peaks, the emission peak position at 439 and nm. Show the excitation characteristics of wavelength independent. The large Stokes shift and light absorption band overlap zone is very small, can effectively reduce the loss of self absorption, suitable for solar cell application as conversion material. Secondly, we point to the carbon nanometer pH. We should do a detailed study. The discovery of carbon nano point absorption and emission are influenced by the pH environment, which is mainly composed of functional groups on the surface of carbon protonation in different pH conditions and deprotonation result, illustrates the point and the surface of the carbon nano luminescent state has a great Association. In addition, carbon nano optical properties that stimulate independent carbon nano surface state is relatively simple, there is conducive to higher quantum yields. Third, we for the first time by adding ammonia in the precursor reaction, the luminescence quantum yield of carbon nano point reached 84.8%, compared to non ammonia water by raising the 10.56%. us through X ray X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), Fu Liye transform infrared spectroscopy (FTIR) and fluorescence lifetime and other means, the relationship between the structure of carbon nano dots synthesized under different ammonia concentration and luminescence quantum yield in detail The study. The study found that the luminescence quantum yield of nano carbon and oxygen state is inversely proportional to the ratio of nitrogen and oxygen was related to the state and state. This is mainly because the amount of ammonia can increase the surface point of the amide bond of carbon nano and can effectively remove the oxygen defects, reduce non radiative recombination or inefficient radiation recombination way, finally get the point of carbon nano efficient luminescence. Finally, we successfully prepared carbon nano materials as used in the conversion of silicon nanowire array solar cells. Note that the carbon nano solid will point due to its cooperation with poly to destroy the surface state, eventually appearance of fluorescence quenching phenomenon. In order to solve this problem, we choose to merge with the carbon nano transparent polyvinyl alcohol as the carrier of carbon nanodots, and through spin coating on silicon nanowire array solar cell system Prepared in the 365nm emits blue light under UV irradiation under the conversion layer, so that the short-circuit current density increased by 0.30ma/cm2. solar cell by means of external quantum efficiency spectra, we found that the device upgrade comes from the conversion of contribution, light field redistribution and the reflectance increased from three aspects of the comprehensive results. In order to extract the conversion to improve the performance of our device contribution, the quantum efficiency spectra was established based on the theoretical model, quantitative extracted conversion contribution (43.3%).

【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TM914.4;O613.71

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本文編號：1385124