[发明专利]一种碲酸盐玻璃基质下转换材料及制备方法

说明书

技术领域

本发明属于新能源新材料技术领域，可用于太阳能光谱调节。具体的，涉及碲酸盐微晶玻璃基质及基于该基质的近红外下转换材料及其制备方法。

背景技术

随着石油和煤炭等不可再生资源的过度利用，出现能源危机，迫使人类开始发展有效、节能、环保的新能源。太阳能既是一次性能源，又是可再生资源。其资源丰富，既可免费使用，又无需运输，对环境无任何污染，可用于光热、光化、光生物利用以及发电。其中，太阳能发电尤其受到关注，为人类创造了一种新的生活形态。

目前，太阳能发电利用还不普及，主要存在成本高、效率低的问题。太阳能电池板以晶体硅为主要材料，其特点是吸收禁带宽度大于1.12ev的光。但由于载流子热化效应，部分紫外和可见区的光能量会损失。下转换（又叫量子剪裁）材料因其量子效率大于一，为提高光电转换效率的实现提供了新的可行途径，在近年来引起人们的格外青睐。

在下转换过程中，下转换材料能将一个紫外（或可见）高能光子转化（剪裁）成两个或多个可被Si晶体材料有效吸收的低能近红外光子，进而提高转换效率。当前所报道的下转换材料中，多以氟化物或氟氧化物为基质，其主要原因是这种材料声子能量小（约300-500cm^-1)，非辐射弛豫损失的能量低。但该基质有成本高、熔点高、易腐蚀等弱点。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种可实现近红外光下转换的碲酸盐玻璃基质下转换材料，该材料能被紫外-可见光有效激发而发射出带宽为940-1080nm的近红外光，在下转换过程使因紫外载流子热效应能量损失减小，能量转化效率高，从而提高太阳能电池利用率。本发明的目的之二是提供该材料的制备方法，该使得该材料具有制备熔点低、成本低、容易制得的优点。

本发明的技术方案如下：

本发明提出的碲酸盐玻璃基质下转换材料，其优化摩尔配比为（80-x）%TeO₂-20%ZnO-x%Na₂O：0.5%RE³⁺-y%Yb³⁺，其中，5≤x≤20；RE=Pr,Tb,Ho,Tm，方便起见，将该材料简称为TZN:0.5%RE³⁺-y%Yb³⁺，x%、y%为掺入基质材料TZN中的Na₂O和稀土离子Yb³⁺的摩尔百分比，并且5≤x≤20，0<y。该材料是采用高温熔融猝灭或高温固相法制备获得。

本发明是利用稀土离子RE³⁺/Yb³⁺(RE=Pr,Tb,Ho,Tm等)共掺碲酸盐基质微晶玻璃体系的近红外下转换材料，通过对0.5%RE³⁺-y%Yb³⁺的用量选择，其关注点在于Yb离子位于1000nm附近的近红外发光，其他的稀土离子，如Pr，Tb， Ho或者Tm，作为敏化剂，加强Yb的近红外发光，Yb离子发光的机理为：激发其他稀土离子（如Pr，Tb， Ho或者Tm），通过下转换能量传递给Yb离子以激活Yb离子的近红外发光。本材料能有效将紫外或可见光转换成波长为940~1080 nm的近红外光，从而能被晶体硅太阳能电池板有效吸收利用，提高太阳能转换效率。

材料的具体制备方法如下：

1）按材料摩尔百分比精确称量纯度为99.99%的原材料于玛瑙研钵中混合研磨约10分钟至均匀后移入干燥刚玉坩埚；

2）将上述混合原材料在马弗炉中高温熔制：除湿阶段，由室温缓慢升温至T₁=600℃，升温时间为1-2小时，此阶段低温处理目的是除湿；熔融阶段，在除湿阶段基础上，设置半小时的斜坡温度，升至T₂=900~1100℃，并恒温保持半小时，目的是使原料充分熔融。

    3）成型及退火：将熔融物迅速取出坩埚，浇注于预热320℃的铜质模具，并在玻璃化温度附近约330℃下退火6小时后自然冷却至室温，此过程为了减小因内应力不均匀而导致玻璃破裂，从而得到结构稳定的透明玻璃。

    4）热处理结晶：在各样品晶化温度T_x下保持10小时，得到微晶玻璃，即得到所述下转换荧光材料。

本发明的碲酸盐玻璃下转换材料和方法具有以下优点：

1、宽的透射范围（0.35-5μm），能被紫外-可见光有效激发而发射出带宽在940-1080nm的近红外光，能被晶体硅太阳能电池板吸收进一步转换成电能。在这个转换过程中，减少了因紫外载流子热效应能量损失，从而提高了太阳能电池利用率。