胶体PbSe量子点太阳能荧光聚集器的仿真研究

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太阳能荧光聚集器(LSC)是一种聚光型太阳能光伏器件,它可以通过等效聚光的方法,以相对简单的结构代替大面积造价昂贵的太阳能电池,达到降低太阳能光伏发电成本的目的。过去,研究人员经常选用有机荧光材料作为LSC的荧光材料,但它们的光谱吸收范围小,自吸收严重,稳定性差,荧光寿命短,这很大程度上限制了LSC效率的提高。半导体量子点作为近年来备受关注的热点材料,相比于传统有机荧光材料,具有更优异的光学特性,如光谱可调谐,荧光量子效率高,自吸收弱,稳定性好,荧光寿命长等。因此,为了进一步提高LSC的性价比,本文将2.8nm的胶体PbSe量子点引入到LSC的应用中。本文首先分析了半导体量子点的激子能级结构,采用有限深势阱模型与有效质量近似理论相结合的方法,建立了半导体量子点能级结构的计算公式,并对不同尺寸的胶体PbSe量子点的禁带宽度进行了理论计算,发现理论计算值与实验测定值相差不多。然后采用Yu的合成方法合成了不同尺寸的胶体PbSe量子点,对其进行了TEM、XRD分析,观测到其近似于球形的外形和体岩盐对称的晶体结构,测量了其吸收光谱和PL光谱,发现其第一激子吸收峰和发射峰是尺寸依赖的,并测量得到其荧光量子效率在80%以上。接下来本文详细分析了LSC的工作原理,包括光子在LSC内的转换过程,荧光在LSC内部的传输模式,自吸收和再激发原理,荧光的传输损耗原理等,并根据其工作原理建立了LSC的数学模型。根据该数学模型,用C++编程语言在MicrosoftVisual C++6.0编译器上编写了太阳能荧光聚集器的仿真软件。最后,本文将2.8nm的胶体PbSe量子点应用到LSC中,根据实验测量及查阅资料获得的数据来设定仿真参数,对胶体PbSe量子点太阳能荧光聚集器进行了仿真研究。仿真研究了LSC的尺寸对LSC光电转换效率、几何聚光比和收益参数的影响,得到LSC尺寸的最优值。在最优尺寸下仿真研究了量子点溶液浓度对LSC光电转换效率的影响,得到量子点溶液浓度的最优值。并最终得到了性能优良的LSC,其边长为150cm×200cm,夹层厚度为1mm,量子点溶液浓度为2.5×10-5mol/L,光电转换效率为3.25%,几何聚光比为61.224,收益参数为12.436,说明胶体PbSe量子点可以明显提高LSC的性价比,是用来制作LSC的理想荧光材料。
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