[发明专利]近红外量子剪裁下转换发光透明无机玻璃及其制备

说明书

技术领域

本发明涉及固体发光材料领域，尤其是涉及一种能够实现高效近红外量子 剪裁下转换发光的稀土掺杂无机玻璃及其制备工艺。

技术背景

众所周知，硅太阳电池对入射光的有效响应频谱范围为400-1100nm，只有 处于该波段的入射光才对硅电池的光电转换有贡献。目前硅太阳电池光电转换 效率较低的重要原因之一是电荷载流子的热化效应，即入射的每个能量大于硅 带隙的光子(波长≤1100nm)在半导体材料内只产生一个电子-空穴对，其余的 能量通过发射声子使晶格热化而浪费掉，由此损失的能量约占入射太阳光能量 的25％左右。通过载流子多重化方法，使能量大于2倍半导体电池带隙宽度的 入射光子在半导体内产生多个电子-空穴对，可以降低材料的热化效应。将具有 量子剪裁下转换效应的发光材料与太阳电池耦合，通过对太阳光谱进行调制有 可能实现载流子的多重化而降低硅电池的热化效应。

1999年，R.T.Wegh等人在Science杂志上报导了LiGdF₄:Eu³⁺晶体的量 子剪裁现象。在该材料中，Gd³⁺离子被真空紫外光激发到4f⁷组态的高能级⁶G_J后，把能量传递给Eu³⁺离子，使之发射出两个可见光光子，总的发光量子效率 达到190％。由于这个材料实现量子剪裁的激发光位于真空紫外波段，超出地面 太阳光谱范围，因此不适合在太阳电池上应用。最近，P.Vergeer等人在氧化 物粉体中共掺稀土Tb³⁺/Yb³⁺离子对，实现了可见到近红外光的量子剪裁发射： 用蓝光激发Tb³⁺离子后，通过Tb³⁺离子向Yb³⁺离子的共合作能量传递，使Yb³⁺离 子被激发，并在980nm附近发射近红外光，其理论总发光量子效率接近200％[P. Vergeer，T.J.H.Vlugt，M.H.F.Kox，M.I.Den Hertog，J.P.J.M.van  der Eerden，A.Meijerink，Phys.Rev.B，71，014119(2005)]。由于Yb³⁺的980nm发射位于硅太阳电池对入射光的最佳响应区间，若将这种具有共合作 能量传递量子剪裁效应的材料应用于硅太阳电池，将有望减弱电池的热化效应， 提高光电转换效率。

目前为止，虽然共合作能量传递机理证实材料能够实现有效的量子剪裁发 射，但是实际上Yb³⁺离子的近红外发射强度还非常的弱，这主要是由于施主离子 如Tb³⁺、Pr³⁺和Tm³⁺等吸收截面(约10^-21cm²)较低导致无法有效的吸收入射光子 所引起的。Ce³⁺离子与其它三价稀土离子不一样，它的吸收来源于4f能级到5d 能级间的允许转变跃迁，因此具有非常高的吸收截面(约10^-18cm²)。本发明在新 型的透明无机玻璃中共掺杂稀土Ce³⁺和Yb³⁺离子，控制玻璃组分与掺杂稀土离子 的浓度，通过Ce³⁺向Yb³⁺离子的能量传递，实现Yb³⁺的高效近红外量子剪裁发光， 其强度比常规RE³⁺-Yb³⁺(RE＝Tb、Pr和Tm)离子对实现的量子剪裁发光提高达 两个数量级以上。由于透明无机玻璃可以替代传统的封装玻璃与太阳电池结合， 该材料在降低硅太阳电池热化效应、提高光电转换效率方面具有重要应用价值。

发明内容

本发明提出一种Ce³⁺/Yb³⁺共掺的透明无机玻璃的组分及其制备工艺，目的在 于制备出结构稳定、具有高效近红外量子剪裁下转换发光特性的透明固体发光 材料。

本发明的透明无机玻璃含有如下组分，并且相应的摩尔百分含量如下：