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研究生:林佳民
研究生(外文):Jia-Min Lin
論文名稱:ZnIn2S4螢光粉製備與發光特性之研究及其在單晶矽太陽能電池應用
論文名稱(外文):Preparation and Luminescence of ZnIn2S4 phosphor powders for Application in Silicon-Based Solar Cells.
指導教授:雷伯薰
學位類別:碩士
校院名稱:國立虎尾科技大學
系所名稱:光電與材料科技研究所
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2013
畢業學年度:101
語文別:中文
論文頁數:88
中文關鍵詞:微波水熱法ZnIn2S4螢光粉太陽能電池In2S3螢光粉
外文關鍵詞:Microwave hydrothermal methodZnIn2S4 fluorescentpowderSolar cellIn2S3 fluorescent powder
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微波加熱技術具有加熱速度快、加熱均勻、加熱效率高、以及高速響應性等優點,因此近來被廣泛的使用。。
本研究以微波水熱法成功合成了In2S3、ZnIn2S4、ZnIn2S4:Eu、ZnIn2S4:Ce等四種不同發光顏色硫屬螢光粉。並利用X光繞射、掃描式電子顯微鏡、螢光光譜儀、紫外光-可見光分光光譜儀以及高解析穿透式電子顯微鏡對上述螢光粉進行晶相結構與純度,表面形態與發光特性分析鑑定。並擇優應用於太陽能電池轉換效率。
第一部分:合成出來的In2S3螢光粉,固定激發244nm可以得到發散波峰在396nm,經由XRD量測可得知為β相結構,經由計算其能隙大約為2.1eV。
第二部分:合成出來的ZnIn2S4螢光粉,固定激發306nm可以得到發散波峰在570nm,經由XRD量測可得知為六方晶相結構,經由計算其能隙大約為2.3eV。
第三部分:進行了ZnIn2S4:Eu、ZnIn2S4:Ce等兩種稀土元素的摻雜,可觀察到摻雜濃度的多寡並不會影響晶體結構的改變,隨著摻雜濃度的提升可觀察到發光波長會有紅移的情形,而因為濃度淬減效應的關係,因此摻雜濃度提升其發光強度會跟著變弱。
第四部分:利用旋轉塗佈法將螢光粉/漿料塗佈於單晶矽太陽能電池表面,未旋塗螢光粉/漿料塗單晶矽太陽能其效率為16.15%,而旋塗上ZnIn2S4螢光粉/漿料其效率提升至16.5%,摻雜了Ce以及Eu之ZnIn2S4螢光粉/漿料其效率更有效的提升至17.14%以及17.18%。


Wave heating technology is a kind of high-efficiency heating method, and has a heated rapidly, reaching high and uniform heating, etc., has recently been widely used.
In this study, microwave hydrothermal method successfully synthesized In2S3, ZnIn2S4,ZnIn2S4: Eu, ZnIn2S4: Ce four different light colors such as chalcogenide phosphor. And using X-ray diffraction, scanning electron microscopy, fluorescence spectroscopy, UV - visible spectrophotometer and high-resolution transmission electron microscopy performed on the above phosphor crystal structure and purity, surface morphology and luminescence analysis and identification. And preferentially used in solar cell conversion efficiency.
The first part,the In2S3 synthesized phosphor, the fixed excitation peak at 244nm can be obtained divergence 396nm, measured by XRD and found to be β phase structure, by calculating the energy gap of about 2.1eV.
The second part,theZnIn2S4 synthesized phosphor, the fixed excitation emission peak at 306nm can be obtained 570nm, measured by XRD and found to be hexagonal crystal structure, by calculating the energy gap of about 2.3eV.
The third part,ConductedZnIn2S4: Eu, ZnIn2S4: Ce and other two kinds of rare earth doping, the dopant concentration can be observed and will not affect the amount of change in the crystal structure, as the doping concentration is observed to enhance the emission wavelength will be red shifting circumstances, and because the relationship between the concentration quenching effect reduction, thus enhancing its luminous intensity doping concentration will follow becoming weaker.
The fourth part,Using the spin coating method fluorescent powder / slurry coating on the surface of single-crystal silicon solar cells, not spin coating fluorescent powder / slurry coating its efficiency monocrystalline silicon solar 16.15%, while the spin-coated with a fluorescent powder ZnIn2S4 / slurry to enhance its efficiency to 16.5%, doped with Ce and Eu phosphors of ZnIn2S4 / paste more effective to enhance its efficiency to 17.14% and 17.18%.


目錄
摘要 i
Abstract ii
誌謝 iii
目錄 iv
表目錄 vi
圖目錄 vii
第一章緒論 1
1.1前言 1
1-3 研究動機 3
第二章理論基礎與文獻探討 4
2-1發光材料簡介[3][4] 4
2-1-1發光材料種類 4
2-1-2 發光機制簡介 6
2-1-3 發光材料的組成 7
2-1-4 稀土離子之特性 9
2-1-5 發光原理及過程 9
2-1-6 濃度淬滅 12
2-1-7 硫化物發光材料簡介 12
2-2 微波法[30,31,32,33] 13
2-2-1 微波加熱原理 14
2-2-2微波的穿透深度 15
2-2-3微波加熱的特點 15
2-2-4微波加熱裝置 15
2-3 太陽能電池簡介 16
2-3-1太陽能電池的種類[34] 16
2-3-2 太陽能電池原理 18
2-3-3 太陽光的頻譜 18
2-4 ZnIn2S4材料簡介[36] 19
第三章研究方法及內容 33
3-1實驗概述 33
3-2 實驗藥品 33
3-3 實驗方法 33
3-3-1製備In2S3螢光粉體 33
3-3-2製備ZnIn2S4螢光粉體 33
3-3-3製備ZnIn2S4:M(M=Ce、Eu)螢光粉體 34
3-4實驗設備及儀器 35
3-4-1 螢光粉體製備儀器 35
3-4-2光學特性量測儀器 37
3-4-3結構分析儀器 39
3-4-4 太陽能電池光電特性量測儀器 44
第四章結果與討論 47
4-1第一部分 In2S3螢光粉 47
4-1-1 In2S3晶相與成份分析 47
4-1-2 穿透式微結構分析 47
4-1-3 掃描式電子顯微鏡外貌分析 47
4-1-4 光致激發光光譜儀分析 48
4-1-5 紫外光可見光吸收光譜儀分析 48
4-2第二部分ZnIn2S4螢光粉 54
4-2-1 ZnIn2S4晶相與成份分析 54
4-2-2 ZnIn2S4穿透式微結構分析 54
4-2-3 ZnIn2S4掃描式電子顯微鏡外貌分析 54
4-2-4 光致激發光光譜儀分析 55
4-2-5 紫外光可見光吸收光譜儀分析 55
4-3第三部分(a)ZnIn2S4:Ce、(b)ZnIn2S4:Eu螢光粉 61
4-3-2 ZnIn2S4高解析穿透式微結構分析 61
4-3-3掃描式電子顯微鏡外貌分析 62
4-3-4 光致激發光光譜儀分析 62
4-3-5 紫外光可見光吸收光譜儀分析 63
4-4第四部份 ZnIn2S4螢光粉與商業型單晶矽太陽能電池應用 73
4-4-1太陽光IV 模擬量測分析 73
4-4-2外部量子效率量測分析 74
第五章結論 78
5-1結論 78
5-2未來展望 78
Extended Abstract 80
簡歷(CV) 88

表目錄
表2-1 非光學活性之陰離子團的種類與價數 20
表2-2 具光學活性之陰離子團的種類與價數 20
表2-3 可作為主體晶格中陽離子的種類與價數 20
表2-4 可作為活化劑陽離子的種類與價數 21
表2-5 可作為抑制劑之陽離子團的種類與價數 21
表2-6 材料的loss tagent 28
表2-7 常見物質的εr和tanδ 28

圖目錄
圖2-1 4f能階躍遷示意圖(以Eu3+離子為例)[22] 22
圖2-2非均質加寬示意圖[19] 22
圖2-3f軌域受外殼層電子遮蔽示意圖[22] 23
圖2-4 光致發光過程與結構座標圖 24
圖2-5 Zns:Mn 吸收光譜圖 24
圖2-6 Stoke位移: (a)相對應的能量圖 (b)主動模式下之晶格 25
圖2-8無輻射躍遷的構坐標圖 26
圖2-9微波與材料作用示意圖 27
圖2-10 電場中分子動向的示意圖 27
圖2-11微波加熱裝置 29
圖2-12 典型太陽能電池元件I-V特徵曲線圖 30
圖2-13 在海平面上與外太空量測之太陽光頻譜 31
圖2-14 太陽輻射的入射角對應相關空氣質量的定義 31
圖2-15 ZnIn2S4之晶格結構圖 32
圖3-1 微波加熱爐 35
圖3-2 離心機 36
圖3-3螢光光譜儀 37
圖3-4紫外光-可見光分光光譜儀 38
圖3-5環境掃描式電子顯微鏡(ESEM) 40
圖3-6 穿透式電子顯微鏡 41
圖3-7高解析穿透式電子顯微鏡 42
圖3-8太陽光模擬器與IV 量測系統 44
圖3-9 全波段入射光子轉換效率光度計 45
圖3-10實驗流程圖......................................................46
圖4-1 In2S3不同合成溫度之XRD圖 49
圖4-2 In2S3不同合成溫度之穿透式顯微鏡量測 50
圖4-3 In2S3不同合成溫度之SEM圖 51
圖4-4 In2S3不同合成溫度之PL量測圖 52
圖4-5 In2S3不同合成溫度之吸收光譜圖 53
圖4-6 In2S3不同合成溫度之能隙圖 53
圖4-7 ZnIn2S4不同合成溫度之XRD圖 56
圖4-8 ZnIn2S4不同合成溫度之HR-AEM圖 57
圖4-9 ZnIn2S4不同合成溫度之SEM圖 58
圖4-10 ZnIn2S4之光致發光光譜圖 59
圖4-11 ZnIn2S4不同合成溫度之光致發光光譜圖 59
圖4-12 ZnIn2S4不同合成溫度之吸收光譜圖 60
圖4-13 ZnIn2S4不同合成溫度之能隙圖 60
圖4-14 ZnIn2S4:Ce不同摻雜濃度之XRD圖 64
圖4-15 ZnIn2S4:Eu不同摻雜濃度之XRD圖 64
圖4-16 ZnIn2S4:Ce之HR-TEM圖 65
圖4-17 ZnIn2S4:Eu不同合成溫度之XRD圖 66
圖4-18 ZnIn2S4:Ce 不同摻雜濃度之SEM圖 67
圖4-19 ZnIn2S4:Eu 不同摻雜濃度之SEM圖 68
圖4-20 ZnIn2S4:Ce 不同摻雜濃度之光致發光光譜圖 69
圖4-21 ZnIn2S4:Eu 不同摻雜濃度之光致發光光譜圖 70
圖4-22 ZnIn2S4:Ce 不同摻雜濃度之吸收光譜圖 71
圖4-23 ZnIn2S4:Eu 不同摻雜濃度之光致發光光譜圖 72
圖4-24 不同轉速ZIS螢光粉/薄膜與未旋塗單晶矽太陽能電池效率圖 75
圖4-25不同摻雜元素ZIS螢光粉/薄膜與未旋塗單晶矽太陽能電池效率圖 76
圖4-26 不同轉速ZIS螢光粉/薄膜與未旋塗單晶矽太陽能外部量子效率圖 77



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