钙钛矿量子点光谱调控的辐致光伏效应同位素电池研究

来源 :南京航空航天大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:chen406507025
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针对空间应用低功耗微机电系统对长寿命电源的应用需求,本文提出了钙钛矿量子点辐致光伏效应同位素电池。重点对电池中材料制备表征、量子点辐致荧光机理、荧光光谱调控、电池输出性能测试以及性能增益分析等方面开展了研究工作。主要研究内容概括如下:1)探究了钙钛矿量子点辐致荧光机理。高温热注入法制备了不发射波长的钙钛矿量子点CsPbX3(X=Cl、Br、I),其发射光谱可覆盖可见光波段400-750 nm。针对量子点薄膜制备工艺进行优化改进,共混法制备量子点薄膜的厚度范围为100-150μm。改进工艺采用原位聚合法制备量子点薄膜,获得更广的薄膜厚度范围(24-342μm)以及更优异的光学透射率。针对以甲苯、正己烷为溶剂的CsPbBr3量子点展开研究,量子点的平均粒径分别为8.13 nm和9.63 nm。甲苯溶剂量子点在不同辐照环境下,X射线与量子点直接作用产生辐致荧光的比例占全部荧光18.1%以上。正己烷溶剂量子点的辐致荧光全部由量子点本身产生,且量子点对X射线通量具有显著的线性响应。2)利用量子点实现了传统荧光材料的光谱调控。遴选量子点调控PPO的发射光谱,光谱调控后CsPbBr1.5I1.5 QD/PPO和CsPbBr3 QD/PPO的半高宽分别为16.1 nm和10.2 nm。针对最高荧光量子效率的CsPbBr3量子点展开研究,确定了PPO、POPOP/PPO和QD/PPO体系的最佳质量浓度分别为2 mg/mL(PPO)、0.2 mg/mL(POPOP)和2.5 mg/mL(CsPbBr3 QD)。利用量子点光谱调控后的QD/PPO体系光学性能是PPO体系的3.16-3.26倍。制备同位素电池并测试其电学性能,测试表征QD/PPO和POPOP/PPO辐致荧光效应同位素电池的电学性能。POPOP/PPO体系的最大输出功率是PPO体系的1.20-1.81倍,QD/PPO体系的最大输出功率值分别是PPO体系的1.91-2.53倍,实验结果表明QD/PPO体系的电学性能优于POPOP/PPO体系。3)提出了基于钙钛矿量子点的液态同位素电池。利用MCNP建立了外照射、固态以及液态三种类型放射源模型,模拟计算单结和三结GaAs的液态放射源同位素电池的最大输出功率分别为62.68 nW和1.15μW。液态荧光材料与液态放射源相结合是显著增强荧光材料内能量沉积的有效方案,为基于液态放射源和换能材料的同位素电池研制提供了理论依据。本研究提出了钙钛矿量子点辐致光伏效应同位素电池。作为一种显著提升辐致光伏效应同位素电池输出功率的可行方案,为研制服役于空间应用低功耗MEMS的同位素电池奠定了技术基础和参考依据。同时,利用全无机钙钛矿量子点调控荧光材料发射光谱的策略在同位素电池、核探测和核医学成像技术等领域具有潜在的应用。
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