[发明专利]一种稀土/金属离子掺杂下转换发光增强材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于固体发光材料领域，具体涉及一种稀土/金属离子掺杂下转换发光增强材料及其制备方法。

背景技术

目前我国能源供给主要还是依赖于化石燃料，但已知的石油、天然气储量大约还可供开采40-50年，原煤大约还可供开采200年。化石燃料的消耗殆尽以及由于燃烧产生的严重的环境问题，使寻找清洁和可再生能源成为世界各国共同关心的问题。在可再生能源中，太阳能是迄今为止最大的可利用能源，它在1小时之内可为地球提供的能量比人类在一整年内消耗的能量还要多。因此，太阳能发电被誉为最理想的能源。但是目前太阳能电池的转换效率还处在很低的水平，晶体硅电池的禁带宽度约是1.12eV相当于1100nm，因而无法将自然的太阳光能量完全吸收转换，只有波长小于1100nm的太阳光才能够在晶体硅太阳能电池中实现光电转换，而波长大于1100nm的红外光则无法被利用，如何提高太阳能电池的效率，是人们研究的热点问题。所以，研究人员提出了通过调整太阳能光谱，使可见光转化为能被太阳能电池高效吸收的红外光，作为提高太阳能电池效率的一个有效途径。

下转换发光材料在光照射下可以将一个高能量光子分裂成两个低能量光子，从而实现太阳能光谱的调整。近年来，研究人员对Tb³⁺-Yb³⁺，Tm³⁺-Yb³⁺，Pr³⁺-Yb³⁺等稀土离子对都进行了研究，得到了较好的下转换发光性能。Yb³⁺离子发射位于1000nm处与单晶硅的禁带宽度非常匹配，所以可以与其它离子相配合达到调整光谱的目的。最近，人们又发现在下转换发光材料中掺入金属离子可以使发射范围变宽并且发光强度变强。金属离子有更敏感的化学性，比稀土离子的结构变化更多，很适于应用于下转换发光材料中。所以，本发明的稀土/金属离子掺杂下转换发光增强材料在利用Yb³⁺离子发射的同时，通过加入金属氧化物ZnO改进了其在紫外-可见区的吸收，进一步提高了Yb³⁺离子在900～1100nm处的发光强度，是潜在的提高晶体硅太阳能电池效率的材料。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可应用于晶体硅太阳能电池的稀土/金属离子掺杂下转换发光增强材料及其制备方法，该方法制备的下转换发光增强材料可将紫外光转换为波长为900～1100nm的近红外光，使近红外区域发光进一步增强。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

本发明提供的稀土/金属离子掺杂下转换发光增强材料，其化学组成表示式为：Y₂O₃：xBi³⁺，yYb³⁺，zZnO，其中x的掺杂量为0.01～40mol%，y的掺杂量为0.01～50mol%，z的掺杂量为0～70mol%。组成原料为：Y₂O₃、Bi₂O₃、Yb₂O₃和ZnO，其中Bi₂O₃掺杂量为0.005～20mol%，Yb₂O₃掺杂量为0.005～25mol%，ZnO掺杂量为0～70mol%。

上述稀土/金属离子掺杂下转换发光增强材料的制备方法，包括如下步骤：按照化学计量比称取原料Y₂O₃、Bi₂O₃、Yb₂O₃和ZnO，其中Bi₂O₃掺杂量为0.005～20mol%，Yb₂O₃掺杂量为0.005～25mol%，ZnO掺杂量为0～70mol%。将称量好的原料放入球磨罐中，以无水乙醇为介质置于行星球磨机中球磨1～72h。球磨后所得浆料烘干，然后在700～2000℃温度下烧结1～24h后随炉冷却。烧结后块体在研钵中研碎，过80目筛后得到所需的下转换发光增强材料。

本发明粉体材料能够有效吸收300～370nm的紫外光，并有效的发射波长为900～1100nm的近红外光，是一种适用于晶体硅太阳能电池应用的新型下转换发光增强复合粉体材料。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：