论文总字数：27854字

摘 要

氧化锌材料本身作为一个十分重要的光电功能材料。ZnO量子点易于被掺杂，能带结构改变，进而调节其禁带宽度，最终影响了材料的发光性能。

本文利用稀土铕元素作为掺杂，探究其对氧化锌发光的影响。在实验中，我们利用混合溶剂（乙醇：二甲基亚砜=2：1），利用氢氧化钾来创造一个碱性的反应环境，二水合乙酸锌作为前驱体。在本文中，我们探究了不同的外界反应条件对合成粒子的光学性质的影响。以六水合硝酸铕作为掺杂元素的提供源，探究不同量铕离子掺杂对材料光学性能的影响。由TEM、XRD、XPS等表征手段证明我们成功合成氧化锌量子点，铕离子成功掺入氧化锌材料中。

在制备出最佳条件下的掺杂量子点时，利用掺杂后的氧化锌材料作为荧光发色团来制备荧光太阳能集光器。探究不同浓度对制备出的LSC器件光电转换效率的影响。LSC的成功制备是十分有利降低对大面积太阳能电池的使用，减免昂贵的太阳光追踪器及冷却装置，希望对光伏建筑一体化后续的发展有所帮助。

关键词：氧化锌量子点、铕离子、荧光太阳能集光器、溶胶-凝胶法。

Abstract

Zinc oxide material is a very important photoelectric functional material. ZnO QDs are easy to be doped to change their band structures, and then the band gap width can be adjusted, which ultimately affects the luminescent properties of the materials.

The effect of erbium ions on the luminescence of zinc oxide was studied in this dissertation. In the experiment, we used mixed solvent (ethanol: DMSO = 2:1), potassium hydroxide to make an alkaline reaction environment, and zinc acetate dihydrate as the precursor. We explored the effects of different external reaction conditions on the optical properties of synthetic particles. Using europium nitrate hexahydrate as the source of impurity elements, the influence of different amount of europium ion doping on the optical properties of the material was studied. The results of TEM, XRD and XPS show that we have successfully synthesized ZnO quantum dots, and europium ions have been successfully incorporated into ZnO materials.

When the doped quantum dots are prepared under the optimal conditions, a luminescent solar concentrators are prepared by using the doped zinc oxide material as a fluorescent chromophore. The effects of different concentrations on the photoelectric conversion efficiency of the prepared LSC devices were investigated. The successful preparation of LSC is very beneficial to reduce the use of large-area solar cells, reduce expensive solar trackers and cooling devices, and hope to help the subsequent development of photovoltaic building-integrated photovoltaics.

Keyword：Zinc oxide quantum dots; europium ions; luminescent solar concentrator; sol-gel methods

目 录

第1章 绪论 1

1.1 荧光太阳能集光器简述 1

1.1.1 能源现状 1

1.1.2 太阳能集光器的原理 1

1.2 量子点材料概述 2

1.2.1 引言 2

1.2.2 量子点发光材料 3

1.2.3 量子点材料的物理化学性质 3

1.3 氧化锌量子点材料概述 4

1.3.1 引言 4

1.3.2 氧化锌的结构与性质 4

1.3.3 ZnO量子点常用合成方法 5

1.4 课题研究内容及预期目标 6

第2章 氧化锌量子点的制备 7

2.1引言 7

2.2实验试剂 7

2.3实验仪器 7

2.4实验操作 8

2.5 表征手法 8

2.5.1 紫外可见吸收光谱法（UV-vis） 8

2.5.2 荧光光谱仪（PL） 9

2.5.3 X-射线衍射（XRD） 9

2.5.4 高倍透射电子显微镜法（HRTEM） 9

2.5.5 X射线光电子能谱分析（XPS） 10

第3章 铕掺杂氧化锌量子点的合成与测试分析 11

3.1 引言 11

3.2 铕掺杂氧化锌量子点合成最优条件的探究 11

3.2.1反应温度对氧化锌量子点荧光性能的影响 11

3.2.2 反应时间对发光性能的影响 12

3.2.3 掺杂浓度对量子点光学性质的影响 13

3.3 量子点结构形貌的分析研究 15

3.3.1 XRD测试结果分析 15

3.3.2 TEM测试分析 16

3.3.3 荧光发射测试分析 19

3.3.4 吸收图谱 20

3.3.5 XPS数据及分析 21

第4章 LSC器件的制备 22

4.1 引言 22

4.2 实验部分 22

4.2.1 薄膜制备实验中的实验用品及设备 22

4.2.2 实验操作 23

4.2.2 LSC器件的制备 24

4.3 光电性能的测试及其分析 25

4.3.1、不同浓度对光电性能的影响 25

第5章 结论 26

参考文献 27

致谢 31

附录1 32

附录2 33

第1章 绪论

1.1 荧光太阳能集光器简述

1.1.1 能源现状

在当今世界，不仅仅是科技的时代，更是能源极速消耗的时代，基本上每一次科技的变革都是在能源产生变革的基础上产生的。在我们矿物能源的利用上存在着3大问题：1、矿物能源的储量是有限的，总量不变；2、矿物质的能源利用效率十分低下；3、在矿物能源的利用中能量的浪费太多。这些问题同时也揭示了全球能源枯竭问题的严重性。无数人将眼光放向了新能源，在其的整体范畴中，被广泛了解并使用的有太阳能、海洋能、风能及水能等^[1]。在我们眼中，丰富的太阳能将是巨大的机遇。作为十分常见的、已经商业化的、应用较为广泛的硅基太阳能电池，由于其制作的工艺繁琐，成本较高，所以我们在利用不同类型集光器来减少太阳能电池的应用^[2]。

1.1.2 太阳能集光器的原理

作为太阳能电池的附件之一，集光器也依据其类型不同分为两类，物理型集光器和荧光太阳能集光器。物理型集光器主要是利用光的反射和折射，利用平面镜或凹凸透镜将光聚集到小面积的光电池上。这种方法可以提高光的能量密度，在能量密度增加的同时，我们也减小了原有太阳能电池的面积，这也是控制发电成本的地方。物理型的集光器一般是由跟踪系统、光学聚焦系统和光电池三个模块组成^[3]。按照其汇聚光的形式不同将其可分为反射集光器和折射集光器。集光器利用凹面镜将太阳光会聚于一点，再通过平面镜的使用，反射聚焦的太阳光到光电池上，利用光电转换利用聚集之后的太阳光。此类型的集光器确确实实减小了光电池的使用量。此类物理型集光器确实从事实上减少了太阳能电池的用量，但是在光学追踪系统及占地面积等的耗用上是十分致命的，在太阳光的辐射中，大概有百分之40左右的红外辐射是太阳能电池所无法吸收利用的，聚集起来的这部分红外辐射将会以热的形式释放，过热的使用环境会使太阳能电池的使用寿命及性能有大幅度的衰减，所以我们还得给物理型太阳能集光器配备冷却装置，虽然物理型集光器客观上减少了电池的使用面积，但是太阳能追踪系统、较大的占地面积和冷却系统限制了我们对物理型太阳能集光器的大规模应用。

由于物理型荧光集光器存在以上的缺陷，有人将眼光放向了一种新型的不需要跟踪装置的、价格低廉的集光方式——荧光太阳能集光器。而荧光太阳能集光器是一种含有能利用大面积波导吸收光的荧光团的光收集器件^[4]。通过荧光团产生的发光由于全反射集中到器件的边缘，在器件边缘利用光伏电池将集中的光转化为电。平面的几何形状，大范围的颜色和透明的可能性让LSC应用于城市采光中变得十分有吸引力。

荧光型集光器相比于物理型集光器的优点有：

（1）LSCs相比于物理型集光器起来，不需要追踪的装置，可以吸收照射在平面上任意角度的光线，无论晴雨都可以使用。

（2）传统的物理型集光器所需的透镜反射镜等需要的空间占地面积较大，如果有互相遮挡则会影响器件的转换效率，而LSCs可以用于较直射光或者漫反射光，不一定需要大面积占地，也可用于外墙。

（3）传统的物理型集光器由于其自身无法避免的原因，材料在受到高光强照射情况下，材料发热十分严重，而LSCs则可以完全避免大量生热。

（4）LSCs可以作为玻璃外墙或者大型建筑物的顶部和窗户，不仅仅有装饰性的作用，更大的作用在于对部分太阳光的收集转换，我们可以将得到的电能用于楼内的电力辅助供应。这样我们就可以向着光伏建筑一体化的目标迈进。

自从1970年人们提出太阳能荧光集光器这个概念以来，科学家与研究者们对荧光太阳能集光器的探索就不断深入^[5]。LSC的制备工艺和理论体系不断丰富，整体的器件性能也不断上升，荧光材料也根据科研的发展逐渐更新换代。

以前人们将有机染料作为发色团，到最后因为其自吸收损失严重、吸收波段较小、自身十分不稳定、寿命较短而逐渐淡出人们的视野。到之后，人们将眼光放向了物化性能更为稳定的无机荧光材料。其中稀土或过渡金属离子配合物荧光材料都存在一些共性的问题，这些稀土材料等的发射峰较窄，发光的单色性较好^[6]。这些材料的吸收范围比较窄，可能无法充分利用太阳光，所以制备得的LSCs效率不高，最终我们将眼光投向了量子点材料。

1.2 量子点材料概述

1.2.1 引言

纳米材料作为一个十分新兴的材料主要是指某一种材料在维度空间内至少存在一个尺度在1-100nm之间。通常按照结构来说，我们可以将纳米材料分为以下三种——零维材料、一维材料及二维材料。零维的纳米材料主要是在长宽高3个尺度上都位于1-100nm之间，这种材料中的典型例子就是量子点^[7]。一维纳米材料则包含了形态各异的材料 例如棒状、管状、线状等。而二维纳米材料则主要包含了许多超薄膜，纳米片等等。

由于纳米材料体系内至少存在一个方向上的尺寸在1-100nm之间，处于纳米级别的结构往往会导致材料存在一些独特的性能^[8]。由于许多量子点尺寸等特有性能，会在许多领域存在优异的性能。在这些领域中包含光学领域，量子点材料在发光性能上拥有着块体材料所无法企及的优势，比如光致发光或电致发光效率较高、生物相容性较好等等，这些优势使纳米材料成为了当今无数研究者们钻研的新兴材料^[9]。

1.2.2 量子点发光材料

量子点发光材料作为一种十分特殊的纳米级别材料，其在个维度上的尺寸都不大于其本身块体材料激子玻尔半径的两倍^[10]。量子点材料本身中电子、空穴与激子在3个方向上的运动都受到了较大的约束，所以电子的能量被量化了，而物质从外界获取的光能可以以辐射跃迁的形式来发出光子，出现光致发光的现象^[11]。量子点材料的形貌主要是圆形或类圆形，尺寸在2～10nm左右。半导体量子点材料一般由Ⅲ-Ⅴ族、Ⅱ-Ⅳ族、Ⅳ-Ⅵ族元素构成，在外界光子的激发下，材料内部会形成激子，电子与空穴的复合会释放出多余的能量，最终形成了荧光发射的现象^[12]。量子点材料由于其尺寸上的特殊性，使其物理化学性质也相较于其他两类材料有亮眼之处。

1.2.3 量子点材料的物理化学性质

1.2.3.1 量子尺寸效应

量子尺寸效应：当材料的尺寸小于某一特定的临界值时，材料的费米能级周围的电子结构由原来连续的能级开始分裂，其中半导体量子点中带隙随着尺寸的变大逐渐变窄的现象也可称之为量子尺寸效应^[13]。

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