上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料及其在鈣鈦礦太陽(yáng)電池中的應(yīng)用研究.pdf

1、上轉(zhuǎn)換材料可將低能光子轉(zhuǎn)換為能被電池吸收的高能光子，將其與太陽(yáng)電池結(jié)合是減少太陽(yáng)電池亞帶隙能量損失的有效途徑之一。但由于稀土離子的禁戒躍遷和濃度猝滅效應(yīng)，致使現(xiàn)有上轉(zhuǎn)換材料的發(fā)光效率較低，限制了其在太陽(yáng)電池中的實(shí)際應(yīng)用。在太陽(yáng)電池領(lǐng)域的應(yīng)用中，往往是以近紅外太陽(yáng)光為上轉(zhuǎn)換激發(fā)光源，其功率密度較低，因此上轉(zhuǎn)換材料更需要在低功率激發(fā)下具有較高發(fā)光效率。本文針對(duì)上述問(wèn)題，對(duì)現(xiàn)有上轉(zhuǎn)換材料NaYF4:Yb,Er發(fā)光進(jìn)行增強(qiáng)研究，同時(shí)對(duì)具有低功率

2、激發(fā)潛力NaLuF4:Yb,Er發(fā)光材料的合成及發(fā)光性能進(jìn)行初步探索，以期獲得更適于太陽(yáng)電池應(yīng)用的上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料。開展了鈣鈦礦太陽(yáng)電池的制備與研究，并針對(duì)減少其亞帶隙能量損失問(wèn)題，將上轉(zhuǎn)換材料首次嘗試與鈣鈦礦太陽(yáng)電池相結(jié)合。主要研究?jī)?nèi)容及成果包括如下幾方面：
　　1.采用溶劑熱法制備出NaYF4:Yb(18％),Er(2%)優(yōu)質(zhì)上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料。從致使發(fā)光效率不高的根源入手，通過(guò)采用基質(zhì)摻雜Li+來(lái)調(diào)制上轉(zhuǎn)換發(fā)光機(jī)制，同時(shí)提升輻射躍

3、遷幾率和Er3+猝滅濃度。在Li+濃度為4mol%時(shí)，取得最大發(fā)光增強(qiáng)。Li+摻雜后，Er3+的猝滅濃度由原來(lái)的2mol%提升至4mol%。間隙的Li+減弱了Er3+與相鄰離子間的相互作用，導(dǎo)致更多的Er3+占據(jù)Y3+的位置，提升了猝滅濃度。
　　2.提出采用Ag@SiO2納米顆粒增強(qiáng)NaYF4:Yb,Er上轉(zhuǎn)換發(fā)光強(qiáng)度。Ag@SiO2納米顆粒的數(shù)量和SiO2的厚度對(duì)NaYF4:Yb,Er發(fā)光性能有重要影響。在Ag@SiO2納米顆

4、粒溶液體積為0.6ml，SiO2厚度為8nm時(shí)，紅光和綠光發(fā)射均取得3.5倍的增強(qiáng)；加入金屬納米顆粒以后，銀納米顆粒與上轉(zhuǎn)換發(fā)光顆粒間的相互耦合作用使總輻射衰退速率增加，引起熒光壽命的減小和發(fā)射量子產(chǎn)額增加，從而增強(qiáng)了熒光發(fā)射強(qiáng)度。
　　在以上優(yōu)化的基礎(chǔ)上，結(jié)合Li+離子摻雜和Ag@SiO2納米顆粒等離子體激元兩種手段共增強(qiáng)NaYF4:Yb,Er上轉(zhuǎn)換發(fā)光強(qiáng)度，制備了高發(fā)光效率的上轉(zhuǎn)換材料，為應(yīng)用于太陽(yáng)電池奠定基礎(chǔ)。
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5、.開展了具有低功率激發(fā)閾值、高發(fā)光效率的新基質(zhì)發(fā)光材料的探索研究。采用溶劑熱法首次成功合成了多枝狀β-NaLuF4:Yb,Er上轉(zhuǎn)換高效發(fā)光材料，研究了NaF/Ln比值對(duì)其結(jié)構(gòu)、形貌及其發(fā)光性能的影響。對(duì)比了多枝狀β-NaLuF4:Yb,Er微米晶和β-NaYF4:Yb,Er微米盤的發(fā)光強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)β-NaLuF4:Yb,Er微米晶的綠光發(fā)射和紅光發(fā)射分別是β-NaYF4:Yb,Er微米晶的6.19倍和3.25倍。說(shuō)明多枝狀β-NaLuF

6、4:Yb,Er微米晶是一種更有效的上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料。
　　4.在大氣環(huán)境下，研究了鈣鈦礦薄膜的退火溫度和退火時(shí)間對(duì)其結(jié)構(gòu)、形貌及其吸收的影響。退火溫度的升高有利于薄膜的晶化，吸收增強(qiáng)；但退火溫度過(guò)高易使鈣鈦礦材料中出現(xiàn)PbI2的峰，致使吸收強(qiáng)度降低。優(yōu)化的退火條件為：140℃的溫度下退火50min。針對(duì)溶液旋涂法難以制備大面積連續(xù)致密鈣鈦礦薄膜的特點(diǎn)，提出在鈣鈦礦前驅(qū)物溶液中加入PVP來(lái)調(diào)制鈣鈦礦薄膜的形成。在PVP含量為3.3%的