《高等无机化学》课程论文文献综述
综述题目 稀土在太阳能电池中的应用现状及展望
作者所在系别 作者所在专业 作 者 姓 名 作 者 学 号 导 师 姓 名 导 师 职 称 完 成 时 间
理学院应用化学
物理化学 李郭敏 12S007047 王锐 教授
2013
年
4 月 11
哈尔滨工业大学材料化学教研室制
说 明
1．文献综述各项内容要实事求是，文字表达要明确、严谨，语言通顺，外来语要同时用原文和中文表达。第一次出现缩写词，须注出全称。
2．学生撰写文献综述，阅读的主要参考文献应在10篇以上。本课程的相关教材也可列为参考资料，但必须注明参考的具体页码。
3．文献综述的撰写格式按撰写规范的要求，字数在2000字左右。
稀土在太阳能电池中的应用现状及展望 姓名：李郭敏 学号：12S007047
稀土在太阳能电池中的应用现状及展望 姓名：李郭敏 学号：12S007047
稀土在太阳能电池中的应用现状及展望
引言
稀土是包括镧系元素和钪（Sc）和钇（Y）共17种元素的总称。镧系元素属于内过渡元素，内过渡元素最后填充的是f电子，使其具有特殊的物理性质和化学性质。稀土具有提高产品性能、代用程度低、军需程度高等特点，广泛应用在高新产业如电子信息、宇航、核工业及高端装备制造、新能源装备等方面[1]。已被许多国家列为战略资源。美国、日本等发达国家的稀土储备己获得政府层面给予的政策和经济支持[2]。
1.中国稀土发展现状
中国蕴含丰富的稀土资源，资源禀赋较好且较易开采,但长期以来以仅占全球探明储量的36%供应着全球80%以上的稀土。稀土资源的开采和消耗产生的一系列环境问题让人担忧,产业发展困难重重。
我国稀土生产己具有完整的产业链,但目前,中国稀土产业90%仍处于中低端加工，生产初级产品,而处于产业链下游的稀土功能材料和应用产品才拥有更高的附加值[3],为了生产需要,中国还需要进口部分稀土下游产品,由于国际定价权的缺失和专利技术的保护,不得不支付高额费用。这与我国低价大量供应稀土原料构成了鲜明对比,大量财富因此而流失。
美国、俄罗斯等国均有非常丰富的稀土资源, 但很多国家已多年不进行开采,尽管由于近几年中国的稀土出口管制加强, 纷纷开始发掘稀土资源, 但恢复生产需要时间, 近5-10年, 国际稀土市场上的主要供应商依然是中国。
2.稀土元素发光在太阳能电池中的应用
随着煤、石油等一次能源的逐渐枯竭及对环境的恶化影响,人类迫切需求对环境友好的可再生能源。太阳能是人类取之不尽,用之不竭的可再生能源之一,同时也是毫无污染的绿色能源，对于解决人类能源危机具有重要意义。太阳能电池利用光电转换技术可将太阳能直接转换为电能,是使用太阳能的最有效方式［4］。
据估算,假如把地球表面0.1%的太阳能转换成电能,即便是转换效率仅有5%,其每年增发的电量也是目前全球耗能的40倍。随着环境污染的加剧和“节能减排”政策的引导,清洁、可再生能源的开发及运用受到了各国的高度重视,太阳能利用已逐步纳入各国政府开发新能源的长远规划。
进入21世纪至今,我国凭借迅速发展起来的薄膜电池产业和国产化的专业材料及设备制
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稀土在太阳能电池中的应用现状及展望 姓名：李郭敏 学号：12S007047
造业己跻身于世界先进行列。太阳能电池以其独特优势,超过风能、水能、地热能、核能等资源,有望成为未来电力供应的主要支柱。
3.1稀土上转换发光在太阳能电池中的应用
20世纪60年代，Auzel，Ovsyankin，Feofilov通过研究稀土掺杂的荧光粉体的发光机理，提出了上转换发光概念。从那时起，近红外光到可见光的转换便引起了研究者们极大的研究兴趣，并催生出交叉科学领域的研究。基于上转换发光材料，许多新颖的光学器件得以研制成功，如近红外量子计数器、全固化紧凑激光器、温度传感器、太阳能光谱转换器等［5］。
到目前为止，晶体硅(c-SiSC)和染料敏化太阳能电池(DSSC)的研究和使用最为广泛，但是这两类电池的共同缺陷是难以捕获吸收UV和NIR，可采集的太阳光光谱范围有限，所以电池效率都很低(DSSC的效率更低)。而上转换发光过程可以将NIR光子转化为Vis，有效抑制c-SiSC子带隙的损失，尤其是宽带隙的太阳能电池，因而利用上转换过程可使SC效率大为提高［6-7］。
稀土离子独特的4f电子层结构使其具有丰富的发光性能，近年来，稀土发光材料在光纤远程通讯、有机电致发光、照明及生物医学等领域的应用越来越广泛，其中稀土上转换发光纳米晶(upconversion nanophosphors，UCNPs)更是成为研究的热点之一［5］。
UCNPs主要是由氧化物、氟化物、卤氧化物等基质通过掺杂三价稀土离子(如Er3+，Eu3+，
Yb3+，Tm3+，Ho3+等)得到，其经上转换发光过程可将连续吸收的两个或多个泵浦光子转化为比泵浦光波长更短的光。UCNPs具备很多的优点，如毒性低、化学稳定性高、光稳定性强、发射带狭窄、荧光寿命长，可消除生物组织自发荧光，以及对生物组织几乎无损伤等显著优点。
谢桂香等人［8］采用水热法制备TiO2:(Er3+, Yb3+)上转换发光粉，并将其应用于染料敏化太阳能电池。添加上转换发光粉可使电池不能吸收用的红外光转化为可以充分吸收的可见光(510~700 nm), 从而提高电池的光电流。另一方面,作为p-型掺杂, TiO2:(Er3+, Yb3+)提升了氧化物膜的费米能级,因而提高了光电压。实验结果显示：当TiO2与发光粉在上转换发光层中的质量比为1:3 时, 电池的性能最佳,在100 mW·cm?2(AM 1.5)模拟太阳光辐照下, 光电转化效率从不掺发光粉电池的6.41%提高到掺发光粉电池的7.28%。表明采用稀土掺杂是提高染料敏化太阳能光电转化效率的一条有效途径.
3.2稀土下转换发光在太阳能电池中的应用
太阳能电池的主要能量损失是由于光谱与电池材料带隙不匹配造成的，只有光子的能量接近半导体带隙带宽时才能被太阳能电池有效吸收，其它低能量光子不会被吸收，而高能量
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