[发明专利]上转换发光材料、其制备方法及应用

说明书

上转换发光材料、其制备方法及应用。本发明公开了一种上转换发光材料，其包含：至少一种稀土离子掺杂的氟化物纳米粒子；至少一种过渡金属离子掺杂的半导体金属氧化物纳米粒子；以及主要修饰于氟化物纳米粒子表面的至少一种聚合物，用作氟化物纳米粒子和半导体金属氧化物纳米粒子之间的连接介质。本发明还公开了所述上转换发光材料的制备方法。本发明的上转换发光材料兼具发光效率高、稳定性好、透光率高、电荷传输能力高等优点，可在有效提高有机光电转换器件在红外光区域光子利用率的同时，大幅提高器件界面的电荷传输，在各类有机光电转换器件中有广泛应用前景。

发明领域

本发明特别涉及一种上转换发光材料，其制备方法和应用，属于新能源和新材料领域。

背景技术

有机光电材料具有材料成本低，制造工艺简单，和轻柔等优点，在柔性电子器件，光伏-建筑一体化等方面具有巨大的发展潜力。但有机光电材料的带隙宽，一般为2.0 eV，限制了其对近红光-红外光子的利用。而在太阳光谱中近红外-红外光(λ> 700 nm)的能量占整个太阳光谱能量的52%，故提高有机光电器件对近红外-红外光波段的响应能力具有十分重要的意义。

上转换(Upconversion, UC)光谱转换，通过将两个或者多个低能光子转换为一个高能光子，是提高光电器件对红外光子利用率的有效手段。上转换发光材料在太阳能电池和光催化领域都有研究和应用。如在硅太阳能电池中，通过两个或三个Yb³⁺与一个Er³⁺、Tm³⁺、Tb³⁺之间通过激发态吸收、能量传递上转换或者合作上转换等机制实现上转换传能，提高该类电池对波长为λ> 1000 nm光子的利用率。如期刊文献[Aust.J.Chem.2012, 65(5)480-485]报道了NaYF₄:Er³⁺上转换荧光粉层应用于Si电池，实现Si电池在1523 nm处的外量子效率达到2.5％。期刊文献[Sol. Energ. Mat. Sol.C. 2006, 90(18-19),3327-3338]报道了NaYF₄:Er³⁺上转换材料在1880 W m^-2 1523 nm单色光下量子产率为5.1%，用于Si电池，获得光电转换效率0.34%。近年，上转换光谱转换在有机太阳能电池中也有研究。期刊文献[Adv. Mater. 2011,3 (22-23),2675-2680]通过分析上转换荧光材料的发射光谱发现，Yb³⁺-Er³⁺共掺的上转换发射光谱峰位位于520~540 nm，正好处于有机太阳能电池电子给体材料P3HT的吸收带位置。将NaYF₄:Yb³⁺-Er³⁺荧光粉层放置于P3HT太阳能电池前面，获得的电池在250mW·cm^-2 975 nm激光照射下，外量子效率达到0.19％。

从研究现状来看，目前研究的上转换材料多采用玻璃、氟化物荧光粉为基体。这些材料基本均为绝缘材料，面临着如何将上转换材料和光电转换器件整合在一起的问题。目前的报道中，上转换荧光粉多以薄膜形式涂敷于玻璃表面。也有中国专利[CN102386271 A]采用将上转换材料掺杂于电池封装用的乙烯与醋酸乙烯脂的共聚物（EVA）或乙烯醇缩丁醛（PVB）中来实现光谱转换与电池的组合。但这些结构中上转换材料与器件是独立的两部分，会造成器件结构复杂。