银离子交换玻璃在太阳光谱下转换中的应用研究

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化石能源的短缺与污染问题制约着人类的可持续发展,丰富且清洁的太阳能是其理想的替代品,人类能够利用太阳能电池将太阳能转化为电能加以使用,但目前商业太阳能电池效率都较低,如何提高太阳能电池的效率是不少学者的研究重点。其中对太阳光谱进行光谱转换,能够提高太阳能电池对短波段光的利用率。本文以高铝玻璃作为基质材料,采用银离子交换及后续热处理的方式制备了银离子掺杂的玻璃材料,研究银离子交换玻璃的光学性能及其对太阳光光谱转换性能。分别采用AgNO3摩尔百分比为0.1%、0.3%、0.5%和1.1%的KNO3和AgNO3混合熔盐成功制备AG01、AG03、AG05和AG11系列银离子交换玻璃,并进行一系列热处理。采用电子探针分析技术测量玻璃表层中银离子的分布状态,并测试了样品的吸收光谱和荧光光谱,研究不同交换浓度、热处理温度和时间条件下,玻璃中Ag+离子的扩散和还原,以及各银粒子团簇形成过程对样品光学性能的影响;选取非晶硅太阳能电池,研究了银离子交换后的高铝玻璃的光谱转换性能对太阳能电池光谱响应的影响作用规律。具体实验结果如下:(1)未进行热处理的样品中,引入的Ag+离子主要聚集在距离玻璃表面30μm左右范围内的浅层中。热处理过程中随着时间的延长,Ag+离子不断向玻璃内部扩散,在410℃或440℃下热处理1 h和10 h后,Ag+离子纵向分布分别延伸至75μm和200μm左右。(2)Ag+离子的引入使样品吸收边发生红移,并随着交换浓度的增加红移程度增加。随着热处理温度的升高和时间的延长,Ag+离子被部分还原并形成银粒子团簇,样品吸收边逐渐发生蓝移,且310 nm到400 nm范围内的吸收逐渐增加,但样品在可见光波段的透过没有太大影响。(3)本实验制备样品能够将250 nm至400 nm紫外波段的光转换至400 nm至640 nm可见波段。在285 nm、355 nm和395 nm激发下,能够产生420 nm、480 nm和530 nm左右的发光峰。适当增加热处理温度和时间,样品在355 nm和395 nm激发下产生的荧光逐步增强。在银离子交换浓度小于0.3%时,适当增加交换浓度能够有效增强样品的荧光强度。(4)与原始玻璃相比,AG01样品在410℃下热处理10 h后,能使非晶硅电池的最高输出功率得到略微提升。在AG03、AG05和AG11样品中,与未热处理样品相比,410℃下热处理1 h的样品能使电池的最高输出功率得到提升。利用本实验制备样品的下转换性能,可以提高非晶硅太阳能电池在小于318nm波段的量子效率。
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