由于具有较大的光学吸收系数与低廉的材料成本, 硫化亚锡(SnS)在新型薄膜太阳能电池中展现出巨大的应用前景。为了实现SnS薄膜的可控制备, 进而研究其光伏特性, 首先, 利用脉冲电沉积法在不同工艺条件下制备了一系列SnS薄膜; 然后, 通过X射线衍射(XRD)技术与扫描电子显微镜(SEM)对薄膜的晶体结构与表面形貌进行表征, 结合紫外-可见-近红外吸收光谱测试结果, 研究两种不同开启脉冲电压对SnS薄膜禁带宽度的影响。同时, 采用莫特-肖特基方程定量计算了SnS薄膜的导电类型与掺杂浓度。在此基础上, 设计了基于Au/SnS/CdS/ITO异质结的原型光伏器件。在AM1.5标准太阳光照射下, 原型器件开路电压为111 mV, 短路电流密度为20.81 μA/cm2。为未来低成本、高性能的薄膜太阳能电池吸收层材料研究提供了理论基础和实验依据。

根据X射线光电子能谱分析和选择性光致发光谱测试结果, 探讨了Bi离子掺杂非晶二氧化硅薄膜的近红外发光来源。我们认为非晶二氧化硅薄膜中Bi离子的近红外发光来源于低价态Bi+离子从轨道3P1层到3P0层的辐射复合跃迁和Bi0从轨道2D3/2层到4S3/2层的辐射复合跃迁。此外, 本文利用限制性晶化原理, 通过在掺Bi二氧化硅薄膜中引入Au离子, 实现了Bi离子相关的近红外发光峰位可调,荧光强度增大了300%。高分辨透射电子显微镜截面图片证实了非晶二氧化硅薄膜厚度约为90 nm以及不同尺寸、数密度Au量子点的形成。变温光致发光谱测试结果表明, 部分Au离子可有效降低Bi离子掺杂非晶二氧化硅薄膜中羟基集团等非辐射复合中心密度。Bi离子掺杂非晶二氧化硅薄膜近红外发光来源的探讨以及通过Au量子点调控Bi离子近红外发光性质的讨论将有助于未来掺Bi发光材料的相关研究。

传统光聚集器热效应明显、结构复杂、成本昂贵。作为替代，荧光太阳集光器具有许多显著优势并能够有效降低太阳能电池的发电成本，因此受到广泛关注。本文通过传统热注入法合成了全无机钙钛矿CsPbBr3量子点，并在此基础上设计了基于CsPbBr3量子点的荧光太阳集光原型器件。通过TEM测试和必要的光学表征，证实本文合成的CsPbBr3量子点具有典型的立方体结构、76.8%的荧光量子产率、512 nm的发光中心波长和22 nm的中心波长半高宽。此外，结合蒙特卡洛智能优化算法，建立了基于CsPbBr3量子点的荧光太阳集光器的理论计算模型，确定了全无机钙钛矿量子点最优掺杂浓度和最佳平均波长集光效率。仿真结果表明，在量子点掺杂浓度为2.1×10-5 mol/L时，最优的集光效率达到5.4%。本文提出的蒙特卡洛光子追踪模拟过程将为未来荧光太阳集光器参数设计提供科学的计算方法。

为了提高Tb3+离子在硅基薄膜中的吸收截面与光发射效率, 本文通过在硅基薄膜中引入具有更大吸收截面的SnO2纳米晶体, 利用共振能量转移机制, 大幅提高了Tb3+离子的光发射效率。首先, 利用限制性晶化原理, 采用基于旋涂技术的溶胶凝胶法制备了Tb3+离子与SnO2纳米晶体共掺杂非晶SiO2薄膜。然后, 通过选择最佳掺杂浓度的SnO2纳米晶体作为敏化剂, Tb3+离子掺杂SiO2薄膜在541 nm处的特征荧光发射强度增大了2个数量级。荧光激发谱与瞬态荧光寿命谱测试结果表明, Tb3+离子与SnO2纳米晶体之间存在着有效的非辐射复合能量传递过程, 1 000 ℃高温退火后, 部分Tb3+离子进入纳米晶体内部, 导致共振能量转移效率大幅提高。以上研究表明: SnO2纳米晶体是一种潜在的Tb3+离子敏化剂, 可有效提高稀土Tb3+离子掺杂SiO2薄膜的光发射效率。