稀土掺杂材料的光电器件应用

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	稀土掺杂材料的光电器件应用
	Talib Hussain
学位类型	博士
导师	肖东
	2016-11
学位授予单位	中国科学院大学
学位授予地点	北京
学位专业	光学工程
关键词	稀土元素多层减反射镀膜波前误差点扩散函数光致发光下转换硅太阳能电池载流子寿命纳米颗粒表面等离子激元白光led
摘要	稀土元素“铈”具有独特的光谱特性，能够在紫外波段被宽带激发。鉴于其特性，掺铈材料在成像光学中有极佳的应用潜力，如作为减反射镀层或紫外防护材料。掺铈的钇铝石榴石YAG（Y3Al5O12）已经在固体照明领域被带来了革命。现在的应用重点在硅太阳能上铈、镱双掺YAG的UV保护和效率提高。铈元素适用于诸多应用的原因是其光谱特性能够很容易地通过不同的基质进行调节，通过使用不同基质材料我们能够于铈元素的掺杂获得所需的激发和发射光谱。举例来说，掺铈的CeO2和CeF3具有不同的折射率和光谱特性。由CeO2和CeF3不同的折射率，我们受到激励对用于硅太阳能电池和成像光学的多层减反射镀层进行计算。在取得仿真模拟结果后，我们在实验中取得了3%的可见波段透射率提升。但对我们的方法具有极大优势的一点是在400 nm以下有极佳的UV截止。多层膜的成像匹配性也通过基片表面粗糙度测量，点扩散函数和波前误差进行了检查。在多层减反射镀膜前后我们没有发现明显的表面粗糙度，点扩散函数和波前误差的变化。这些分析支持了掺铈多层减反射镀膜在成像光学中的UV防护和增透效果。铈、镱双掺YAG是一种发光下转换材料，它可以将可见波段光子转换为近红外波段光子。在本论文中，我们也将YAG：Ce3+-Yb3+粒子附着于大规模量产的单晶硅太阳能电池的前表面上。对于镀膜后的电池来说，可见到近红外波段的外量子效率得到了提高，能量转换效率在AM1.5G标准太阳光谱下由11.70%提高到了12.2%。为分析过剩载流子，我们使用微波检测光电导技术对镀YAG:Ce3+-Yb3+前后的n型硅晶片在977 nm激发下的表现进行了研究。下转换材料将平均过剩载流子寿命由22.5 μs增加到了24.2 μs，并将平均表面复合速率由424.5 cm/s减少到了371.6 cm/s，表明荧光粉显著减少了过剩载流子复合。稀土掺杂材料在诸多领域均扮演着重要的角色，但它们的低量子效率是工业化应用的主要障碍。在本论文中，通过由APTES进行金纳米颗粒表面修饰的YAG:Ce3+和YAG:Ce3+-Yb3+，对表面等离子激元对其光致荧光效应的影响进行了研究。金纳米颗粒由于具有很大的自由电子密度而被视为一种很强的光吸收体。金属纳米颗粒如何增强荧光粉的量子效率？这一问题在本论文中必须由多方面进行探究，并且对激元耦合后的YAG:Ce3+在白光LED上的应用进行研究。将激元耦合后的YAG:Ce3+用于白光LED，我们实现了CIE颜色坐标由蓝光(0.23, 0.23) 至白光区域(0.30, 0.33)的优化，CCT值为6601 K和很好的白光CRI值78。这可以被归因于金纳米颗粒在荧光粉表面强烈增强的局部表面电磁场增强。除此以外，还对不同量的YAG:Ce3+/金纳米颗粒在白光LED上的效应进行了深入探讨。表面等离子激元下YAG:Ce3+的光致荧光，取得了绝对量子产率由41%到66%的提升，相对应寿命由70.7 ns降低至68.2 ns。FDTD仿真，时间分辨光谱和XPS数据一致证实了金纳米颗粒的表面等离子激元效应在YAG:Ce3+荧光粉上的作用。由Ce3+的5d能级的辐射和非辐射能量传递直接受到金纳米颗粒表面等离子激元效应的影响，导致了YAG:Ce3+/金纳米颗粒白光LED的CIE坐标，CCT和CRI的改善。我们的工作显示使用具有表面等离子激元效应的纳米颗粒不仅可以提高荧光粉的转换效率，还提供了一种很有前景的研发高效荧光粉转换白光LED作为固态光源的方法，可继续开发其新的有趣的性质和应用。
学科领域	天文技术与方法
语种	英语
文献类型	学位论文
条目标识符	http://ir.niaot.ac.cn/handle/114a32/1316
专题	学位论文
作者单位	南京天文光学技术研究所
推荐引用方式 GB/T 7714	Talib Hussain. 稀土掺杂材料的光电器件应用[D]. 北京. 中国科学院大学,2016.