Sr_3Lu(PO_4)_3:Pr^(3+)荧光材料的制备与光致发光研究

采用高温固相法成功合成了Sr_3Lu(PO_4)_3:Pr^(3+)荧光粉。通过X射线衍射、扫描电子显微镜和光谱技术,分别研究了Sr_3Lu(PO_4)_3:Pr^(3+)荧光粉的晶体结构,表面形貌和光致发光谱。研究结果表明:所合成Sr_3Lu(PO_4)_3:Pr^(3+)荧光粉具有立方的I43d空间对称结构,其表面具有不规则的颗粒形貌,光致激发波长为444 nm,发射波长为610nm,所发光为红色光,当掺杂浓度为1%的时发光效果最好。

基于电荷和热输运的石墨烯热电子器件性能优化

科研人员近年来提出了石墨烯热电子能量转换器件(graphene thermionic energy converter,GTEC)的模型,对其物理机理与参数优化展开了研究,为高品位热能开发提供了新途径.然而,空间电荷积累和近场热辐射效应对GTEC能量转换性能的影响却鲜有报道.本文结合热电子发射、朗缪尔空间电荷、非平衡态热力学和涨落电动力学等理论,考虑热电子输运、近场热辐射输运、牛顿换热的相互作用对GETC的影响,进而构建完善的物理模型.首先,分析极板温度恒定时的电流密度、阴极板附加势垒、功率密度、转换效率、热流对电压和真空间隙的依赖特性,结果表明真空间隙对功率密度的影响显著,而对效率的影响较小,可在不同的电压处获得最高功率密度和效率.其次,分析了极板温度受能量平衡约束条件下,功率密度与效率随电压的变化情况,研究发现:相比于恒温模型,牛顿换热对功率密度的影响显著,而对效率的影响较小;在最优功率密度时的阳极板温度高于环境温度,而最优效率时的阳极板温度趋于环境温度;折衷考虑功率密度和效率,确定了电压、真空间隙和阳极板温度的优化区间.本文所获结果可为实际器件的研制提供理论支撑.

新型高效热离子功率器件的性能特性研究

应用固体物理和不可逆热力学理论,研究新型高效石墨烯热离子热电功率器件的性能特性.通过数值求解器件高温和低温端的能量平衡方程,确定器件阴极板和阳极板的温度;分析输出电压和阴极板功函数对器件的伏安特性及两个极板温度的影响,确定器件在最大功率密度和最大效率时的参数特性;折衷考虑功率密度和效率,给出参数的优化取值区间;分析了高温热源温度对优化性能的影响.本文所得结果可为热离子能量转换器件的研制提供理论指导.

热光伏能量转换器件的热力学极限与优化性能预测

受不可逆损失的影响,热光伏能量转换器件在高品位热能回收与利用方面受到限制.本文揭示不可逆损失来源,提供热光伏能量转换器件性能提升方案.利用半导体物理和普朗克热辐射理论,确定热光伏能量转换器件在理想条件下的最大效率.进而考虑Auger与Shockley-Reed-Hall非辐射复合和不可逆传热损失对光伏电池的电学、光学和热学特性的影响,预测热光伏器件优化性能.确定功率密度、效率和光子截止能量的优化区间.结果表明:相比于理想热光伏器件,非理想热光伏器件的开路电压、短路电流密度和效率有所降低;优化热光伏电池电压、光子截止能量和热源温度,可提升器件的功率密度和效率.通过对比发现理论与实验结果较一致,所得结果可为实际热光伏能量转换器件的研制提供理论指导.

新型能量转换微器件的热力学特性及研究进展

热光伏电池、热离子器件和热辐射电池等新型热电转换微器件,为新能源的开发应用和余、废热回收利用提供了有效途径.这些固态能量转换器件工作在两个温度不同的热源之间,以物理方式将热能部分转换为电能,具有高功率密度和高转换效率的特点.在微纳尺度下,器件中的电子输运和热流输运呈现出与宏观尺度不同的独特效应,如空间电荷积累、量子隧穿和近场热辐射效应等.在不同材料和尺度下,根据不同物理效应,深入探讨微器件的热力学特性与优化理论是近年来物理学的重要研究课题之一.本文将以这3类器件为基础,总结新型微纳结构能量转换器件的热力学性能与研究进展,展望物理与能源科学交叉领域中能量转换器件发展的新方向和新趋势.

WO_3/CaAl_2O_4复合敏感膜的制备及其对一氧化碳气体的检测

一氧化碳是一种有毒的易燃易爆气体,是常见的严重危害人体健康的窒息性化学毒物,因无色、无味,易被忽视而存在极大的安全隐患。因此,制备高灵敏、低成本、操作方便的一氧化碳传感器,实时监控大气环境中的一氧化碳十分必要。本研究结合溶胶-凝胶和涂敷法制备WO_3/CaAl_2O_4复合气敏薄膜,设计制作了旁热式一氧化碳气体传感器,自主搭建了包括密闭气室、加热电路、测试电路的一氧化碳气体传感测试系统。获得了该传感元件对一氧化碳的温度特性、灵敏特性、选择性和重复性等,并通过分析,明确了气敏机理。该传感器对一氧化碳气体的监测有一定应用意义。

傅里叶传热定律的教学探讨与应用

系统处于稳态时,傅里叶传热遵循牛顿冷却律.应用牛顿冷却律、光伏电池单二极管模型和热力学第一律,分析光伏电池的热力学性能.研究表明,输出电压和辐射强度对光伏电池运行温度有显著影响,在标况下所预测的温度与厂商数据一致.揭示热学课程教学中扩展该律的重要性.

太阳能驱动热电子-热辐射耦合器件的优化性能

基于真空热电子和热辐射器件模型,构建一类太阳能驱动热电子-热辐射耦合器件的理论模型.应用有限时间热力学、热电子发射和普朗克辐射理论,导出耦合器件的热平衡方程和能量转换效率表达式.首先,讨论热电子器件短路、热辐射器件开路、两子器件串联时的热学和电学性能,分析系统在最大效率时的参数特性.其次,确定两子器件独立运行时的系统最大效率和优化条件,揭示阳极板功函数、聚光器的聚光因子和光学效率对优化性能的影响.研究结果表明耦合系统在两子器件独立产生电能时的性能最优,可为聚光太阳能驱动热电转换系统的设计提供理论指导.

光伏电池与分光耦合系统的热学与电学特性

根据光伏电池与环境之间的牛顿传热以及禁带宽度对温度的依赖特性,获得光伏电池的热学与电学特性。实验研究结果表明,光伏电池的温度高于环境温度,并随着输出电压的增加呈先减小后增加的趋势,与辐射强度呈线性递增的关系;短路电流随着辐射强度的增加而升高,而开路电压随着辐射强度的增加呈先增加后减小的趋势;优化光伏电池输出电压和太阳能辐射强度可以获得最大效率。在AM 1.5G标况下,将部分辐射能输入至集热系统,构造一个分光型光伏-热耦合系统,而该系统可以提高太阳能的利用率。

外加直流电场对光折变晶体中双波混频增益系数的提升作用

大多数氧化物光折变晶体研究都没有考虑外加直流电场的影响。通过Kukhtarev材料方程得出施加直流电场时光折变晶体双波混频空间电荷场的材料方程,对比研究无外加电场和施加电场的情况下,归一化空间电荷场随归一化输入光强、归一化扩散场、中性施主与受主陷阱浓度比以及归一化外加直流电场的变化趋势;分析外加直流电场对增益系数的提升作用及其影响因素。结果表明:归一化扩散场较低时,施加直流电场可显著提升空间电荷场,有外加直流电场的空间电荷场明显高于无外加直流电场的空间电荷场。但是在归一化扩散场较高时,这种现象则不明显,此时空间电荷场受施加直流电场的影响较小;另外,当施加直流电场时,增益系数增加更多,并且在20-27 dBm/cm^(2)的最佳光强范围内达到饱和值。同时,最佳入射光强对应的峰值增益随着外加直流电场的增加而增大。所得结果可为光折变晶体双波混频的实际应用提供理论指导。

双结热光伏电池回收固体氧化物燃料电池余热的性能匹配研究

本文建立固体氧化物燃料电池(SOFC)-双结热光伏电池(TTPVs)的耦合模型,结合电化学、传热学、细致平衡理论,研究能量品位的匹配和梯级调控策略.首先,考虑多种不可逆因素对能量匹配及转换性能的影响,基于子系统的伏安特性和能量传递方程,导出耦合系统的能量匹配方程、功率密度和转换效率.其次,给定SOFC的电流密度值1.60 A cm^(-2)和温度873 K,在两个光伏子电池带隙连续变化情况下优化电压和匹配面积比,以获取局域最优功率密度和效率,进而揭示半导体的带隙对优化性能和运行条件的影响规律.结果表明,优化带隙可以获得局域最高功率密度0.920 W cm^(-2)和效率44.9%.最后,探究SOFC电流密度的变化对耦合系统性能的影响规律,通过电学、结构和光学参数的协同优化,获得耦合系统的全域最高功率密度,提供关键性能参数的优化设计判据,并与SOFC单系统的全域最高功率密度相比,功率输出密度提高了42.7%.本文所获结果优于SOFC单系统和已发表成果的结果,在钢铁、化工等行业的高品位热能回收方面具有一定应用潜力.