寬帶近紅外量子剪裁氟氧化物玻璃陶瓷的性能研究.pdf

1、能源危機(jī)是當(dāng)前國(guó)際社會(huì)面臨的嚴(yán)重問(wèn)題，而開(kāi)發(fā)新能源作為保證市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)持續(xù)運(yùn)行的資源載體，則成為當(dāng)下討論和研究的核心話題之一。太陽(yáng)能電池作為各方面基本條件均符合要求的一種新型能源利用方式，一直被寄予厚望。但是，到目前為止，即使是研究最成熟的硅太陽(yáng)能電池，在實(shí)際應(yīng)用方面也仍然存在著很多的問(wèn)題。其中之一就是工業(yè)生產(chǎn)硅太陽(yáng)能電池的實(shí)際光電轉(zhuǎn)換效率還是相對(duì)較低，因此進(jìn)一步的提高硅太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率仍是一個(gè)焦點(diǎn)問(wèn)題。
　　在此背景之下，有學(xué)者

2、提出傳統(tǒng)的利用改善和優(yōu)化電池組件的方式提升光電轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)很難再有新的突破，而光譜調(diào)制作為提升太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)換效率的一個(gè)新的突破口，已逐漸開(kāi)始受到廣泛的關(guān)注。下轉(zhuǎn)換作為光譜調(diào)制中的一種，能夠改變照射到太陽(yáng)能電池表面的光譜波長(zhǎng)，使之能夠更充分的吸收利用來(lái)自太陽(yáng)光的能量。與光致發(fā)光相比，下轉(zhuǎn)換對(duì)能量的利用率更高，理論上可達(dá)到200％。然而，下轉(zhuǎn)換作為最有發(fā)展?jié)摿Φ囊环N提升硅太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率的方法，卻一直難以應(yīng)用于實(shí)踐，其原因是多方面的。

3、首先，高效率的下轉(zhuǎn)換多發(fā)生于低聲子能量的晶體材料中，對(duì)材料要求的苛刻條件限制了其實(shí)際應(yīng)用。其次，下轉(zhuǎn)換材料在實(shí)驗(yàn)室中得到的量子效率已經(jīng)很可觀，但其表現(xiàn)出的弱吸收卻使得實(shí)際發(fā)生下轉(zhuǎn)換時(shí)參與傳遞過(guò)程的能量仍然很少。
　　本文采用高溫熔融法成功制備出了含有CaF2晶相的氟氧化物微晶玻璃。結(jié)構(gòu)的表征結(jié)果顯示，CaF2的晶粒尺寸被控制在25nm左右，從而確保了微晶玻璃的透明性。同時(shí)，由于稀土Yb3+離子的引入并優(yōu)先富集于CaF2晶體的周圍，

4、從而形成Ca0.8Yb0.2F2.2固溶體。氟氧化物微晶玻璃作為一種混合了晶相與玻璃相的特殊功能材料，其最大的優(yōu)點(diǎn)就是玻璃基質(zhì)的聲子能量低，稀土離子在該基質(zhì)中的多聲子弛豫幾率相對(duì)較低，因此很適合作為稀土發(fā)光的基質(zhì)材料。
　　在此基礎(chǔ)上，實(shí)驗(yàn)制備了Bi3+/Yb3+共摻的氟氧化物玻璃陶瓷。結(jié)果顯示，在氟氧化物微晶玻璃中，金屬Bi3+離子對(duì)于Yb3+離子的發(fā)光而言是一種十分有效的敏化劑。由于Bi3+離子能夠吸收紫外波段的光，因此在紫外

5、光的激發(fā)下，一個(gè)Bi3+離子在吸收光子的能量后，會(huì)將能量傳遞給周圍的兩個(gè)Yb3+離子，Yb3+離子再由激發(fā)態(tài)2F5/2返回基態(tài)2F7/2，從而在1μm波段的近紅外區(qū)間能夠觀察到強(qiáng)烈的近紅外發(fā)射峰。通過(guò)計(jì)算得到 Bi3+-Yb3+之間的量子剪裁效率最大可達(dá)到170.1％。因此，氟氧化物微晶玻璃在提高太陽(yáng)能電池的能量轉(zhuǎn)換效率上有著巨大的潛力。
　　本文的最后部分在結(jié)合了Ce3+-Yb3+下轉(zhuǎn)換和Er3+-Yb3+下轉(zhuǎn)換的研究基礎(chǔ)上，制

6、備了Ce3+-Er3+-Yb3+三摻的氟氧化物微晶玻璃。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示在Ce3+-Er3+-Yb3+三種離子復(fù)雜的能量傳遞過(guò)程中，Ce3+-Yb3+和Er3+-Yb3+之間均存在著下轉(zhuǎn)換的過(guò)程。此外，由于Ce3+的寬帶發(fā)射譜和Er3+的激發(fā)譜重合，Ce3+-Er3+之間也存在著能量的轉(zhuǎn)換過(guò)程。最后，通過(guò)與Ce3+-Yb3+和Er3+-Yb3+共摻的微晶玻璃對(duì)比發(fā)現(xiàn)，Ce3+-Er3+-Yb3+三摻的氟氧化物微晶玻璃在紫外-可見(jiàn)光區(qū)域表現(xiàn)出