稀土離子激活LaOF的近紅外發(fā)光性質(zhì)及能量傳遞研究.pdf

1、近年來(lái)，商用單晶或多晶硅基太陽(yáng)能電池主導(dǎo)著光伏市場(chǎng)，但是較低的光電轉(zhuǎn)換效率一直是太陽(yáng)能電池大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用的瓶頸，其效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于Shockley-Queisser理論的轉(zhuǎn)換效率極限30％。能量損失有兩個(gè)主要原因：第一，只有能量大于單晶硅的禁帶寬度的太陽(yáng)光才能被硅基太陽(yáng)能電池所吸收，然而當(dāng)太陽(yáng)光子的能量遠(yuǎn)大于單晶硅的禁帶寬度時(shí)，大部分光子的能量在轉(zhuǎn)換的過(guò)程中以熱能的形式損耗掉；第二，太陽(yáng)光中能量小于單晶硅禁帶寬度的光子不能被硅基太陽(yáng)能電池

2、吸收。在提高硅基太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)換效率的眾多解決途徑中，下轉(zhuǎn)換或量子剪裁稀土摻雜發(fā)光材料能將電池光譜響應(yīng)較差的一個(gè)短波長(zhǎng)光子轉(zhuǎn)換為兩個(gè)或多個(gè)近紅外光子，從而使一個(gè)高能量的光子可以產(chǎn)生兩個(gè)或多個(gè)電子空穴對(duì)，大大減少了由于無(wú)輻射弛豫損耗掉的光能。當(dāng)前研究中有不少關(guān)于下轉(zhuǎn)換和量子剪裁發(fā)光材料的報(bào)道，但報(bào)道中，對(duì)如Pr3+,Yb3+或Nd3+,Yb3+共摻的發(fā)光材料中稀土離子之間的能量傳遞過(guò)程認(rèn)識(shí)并不統(tǒng)一和清楚。
　　本文以LaOF作為研

3、究基質(zhì)，采用水熱法制備出了一系列摻雜不同稀土離子的粉末樣品。通過(guò)對(duì)樣品XRD、發(fā)光光譜和衰減曲線的表征與分析，研究了基質(zhì)到稀土離子、稀土離子之間的能量傳遞機(jī)理，具體研究?jī)?nèi)容如下：
　　1.采用水熱法制備了不同摻雜濃度的樣品LaOF:Nd3+， LaOF:Yb3+和LaOF:Nd3+,Yb3+。LaOF:Nd3+,Yb3+監(jiān)測(cè)Yb3+離子發(fā)光的激發(fā)光譜和在355 nm波長(zhǎng)激發(fā)下，監(jiān)測(cè) Nd3+4D3/2能級(jí)發(fā)光的衰減曲線表明了 Nd

4、3+(4D3/2→4G5/2)到Y(jié)b3+(2F7/2→2F5/2)交叉馳豫能量傳遞，但能量傳遞效率較低。大部分電子主要從Nd3+4D3/2能級(jí)快速無(wú)輻射弛豫到4F3/2能級(jí)，Nd3+離子到Y(jié)b3+離子的能量主要從Nd3+4F3/2傳遞給Yb3+2F5/2的能級(jí)。此外，還發(fā)現(xiàn)了基質(zhì)到Y(jié)b3+離子的能量傳遞和Yb3+離子向Nd3+離子的反向能量傳遞：Yb3+(2F5/2→2F7/2)到Nd3+(4I9/2→4F3/2)。
　　2.由于

5、Nd3+4f3能級(jí)躍遷是宇稱禁戒的，因此LaOF:Nd3+,Yb3+對(duì)近紫外和可見(jiàn)光的吸收系數(shù)較小。為了提高材料對(duì)太陽(yáng)能中高能量光子的吸收率，本部分內(nèi)容在上述實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)摻雜Bi3+來(lái)提高發(fā)光材料的吸收系數(shù)，并研究了樣品的發(fā)光性能及其能量傳遞過(guò)程。采用水熱法制備了不同摻雜濃度的樣品 LaOF:Bi3+， LaOF:Bi3+,Nd3+， LaOF:Bi3+,Yb3+和LaOF:Bi3+,Nd3+,Yb3+。樣品LaOF:Bi3+,N

6、d3+的發(fā)射光譜和激發(fā)光譜均表明Bi3+1S0能級(jí)到Nd3+離子存在能量傳遞。LaOF:Bi3+,Nd3+,Yb3+的發(fā)射光譜表明了Bi3+離子1S0能級(jí)先將激發(fā)能傳遞給Nd3+，然后Nd3+將能量傳遞給Yb3+。而樣品LaOF:Bi3+,Yb3+的激發(fā)和發(fā)射光譜表明Bi3+離子到Y(jié)b3+離子存在直接能量傳遞。
　　3.采用水熱法制備了不同摻雜濃度的樣品 LaOF:Pr3+，和LaOF:Pr3+,Yb3+，測(cè)得了樣品的發(fā)光光譜和衰

7、減曲線，并對(duì)其能量傳遞過(guò)程進(jìn)行了分析。監(jiān)測(cè)LaOF:Pr3+,Yb3+發(fā)射波長(zhǎng)為976 nm的激發(fā)光譜和471 nm波長(zhǎng)激發(fā)下的Pr3+3P0能級(jí)發(fā)光的衰減曲線表明了樣品LaOF:Pr3+,Yb3+中Pr3+(3P0→1G4)到Y(jié)b3+(2F7/2→2F5/2)的能量傳遞。此外，樣品LaOF:Pr3+監(jiān)測(cè)1060 nm的激發(fā)光譜和LaOF:Pr3+,Yb3+監(jiān)測(cè)976 nm的激發(fā)光譜表明了基質(zhì)和Pr3+離子3P0能級(jí)以及Pr3+離子4f