[发明专利]一种稀土离子共掺铁酸铋上转换纳米颗粒及其制备方法

说明书

本发明涉及一种稀土离子共掺铁酸铋上转换纳米颗粒及其制备方法，该上转换纳米颗粒的化学式为BiFeO₃:RE³⁺(RE³⁺是Yb³⁺离子与Er³⁺、Tm³⁺、Ho³⁺三种离子中的一种、两种或三种离子的任意组合)，为菱方钙钛矿结构，形貌为立方体形。具体制备方法包括：首先将铋源、铁源、稀土源在稀硝酸溶液中混合均匀，之后向混合溶液中加入氢氧化钾溶液，形成沉淀物；然后将洗涤后的沉淀物与氢氧化钾溶液混合，在高温下下进行水热反应；最后通过离心和洗涤获得反应产物。本发明提供的纳米颗粒可以将近红外激发光转换为可见光发射光，可见发射光被铁酸铋再吸收后产生光电效应，有效提高铁酸铋太阳能电池的光电转换效率。

技术领域

本发明属于无机纳米材料领域，具体涉及一种稀土离子共掺铁酸铋上转换纳米颗粒及其制备方法。

背景技术

铁酸铋是一种兼具铁电性、反铁磁性和铁电耦合特性的材料，它具有独特的窄带隙半导体特性，可以作为太阳能电池的光敏层而应用于太阳能电池领域。但是由于铁酸铋固有的带隙(2.0eV-2.6eV)特征，它只能吸收能量大于其带隙宽度的部分可见光和紫外光。另一方面，我们知道在太阳光光谱组成中，近红外光的能量占46％左右，这意味着将近一半的太阳光能量都无法参与到铁酸铋的光吸收过程中，因此铁酸铋光敏层的太阳光利用率还很低。而稀土掺杂上转换纳米颗粒借助其稀土离子独特的能级结构，可以将近红外激发光转换为波长较短的可见光或者紫外光发射。因此，我们将可以进行上转换发光的离子掺杂到铁酸铋中，能够实现铁酸铋对近红外光、可见光和紫外光的宽光谱吸收。这将极大的提高铁酸铋对太阳光的吸收能力，提高铁酸铋太阳能电池的光电转换效率。

在之前的研究中，科研工作者们主要关注于稀土离子掺杂对BiFeO₃薄膜或晶体的电学、磁学特性的影响。2010年，Yan等人在Pt/TiO₂/SiO₂/Si基底上合成了La³⁺掺杂的BiFeO₃薄膜，通过实验证实了La³⁺的掺杂可以改善BiFeO₃薄膜的压电特性(Scripta Materialia,63,780,2010)。同年，Thakuria等人采用溶胶凝胶法制备了Ho³⁺掺杂的BiFeO₃多晶材料，并且利用相同的方法制备了La³⁺、Sm³⁺、Nd³⁺等其它镧系离子掺杂的样品，之后系统比较了各个样品的磁性能(Applied Physics Letters,97,162504,2010)。2013年，Carvalho等人研究了Bi_0.8La_0.2FeO₃的压电行为，发现La³⁺掺杂后的样品的压电系数和介电损耗都有降低(Journal of Alloys and Compounds,554,97,2013)。2017年，Jerome P.Claverie等人采用热共沉淀法和溶剂热法两步合成了NaGdF₄:Yb³⁺/Er³⁺@BiFeO₃纳米颗粒，通过增加纳米颗粒对太阳光的吸收效率而提高了BiFeO₃纳米颗粒的光催化能力(Applied Materials andInterfaces,9,8142,2017)。然而，迄今为止，对面向近红外太阳光转化应用的稀土离子共掺铁酸铋上转换纳米颗粒及其制备方法的研究还没有报道。