一种上转换β-NaYF4:Yb制造技术

一种上转换β‑NaYF4:Yb

An upconversion NaYF4:Yb

An upconversion NaYF4:Yb

【技术实现步骤摘要】
一种上转换NaYF4：Yb3+/Er3+@YOF核壳微米晶材料及其制备方法
本专利技术涉及异质核壳结构微米晶的制备方法。
技术介绍
太阳能作为最值得期待的新能源，具有取之不尽、用之不竭、安全等优点。随着太阳能发电技术的不断革新，人类将进入一个崭新的以太阳能为主体的能源时代。第三代太阳能电池“染料敏化太阳能电池”是一种新型的光化学太阳能电池，该电池是以染料分子敏化多孔氧化钛微米薄膜为光阳极的一类半导体光电化学电池。与一代、二代太阳能电池相比，其制备工艺简单，具有相对较高的功率转换效率和潜在的商业价值，因此染料敏化太阳能电池已经引起了人们广泛的关注，并且将在未来的光伏电池发展中替代硅基太阳能电池。而限制染料敏化太阳能电池光电转化效率的主要因素是太阳光能量中55％的红外光子没有得到有效利用。使用上转换发光材料(将近红外光子转化为可见光子)可有效解决这一问题，在所有的上转换发光材料中，由于β-NaYF4晶体晶格的声子能量低，被认为是最高效的发光基质材料。但是由于直接稀土发光离子掺杂的β-NaYF4微米光谱转换材料由于Yb/Er等发光离子裸露在晶体表面，将致使掺杂在光阳极TiO2中发光离子与TiO2离子直接接触，当光电子通过TiO2时稀土发光离子作为有效的捕获光生电子的中心，因而严重限制太阳能电池利用红外太阳光能量。而目前避免稀土发光离子直接与光阳极直接接触的办法就是在上转换材料包覆一层惰性壳层，如β-NaYF4：Yb/Er@NaYF4或β-NaYF4：Yb/Er@SiO2，但是由于氟化物壳层与光阳极性质相差大而使掺杂均匀性差，而SiO2壳层的包覆会造成上转换荧光的减弱，这两种情况都使染料敏化太阳能电池的光电转换效率降低，因此迫切需要开发出一种与光阳极相容性好而且能增强上转换荧光特性的材料，最终实现大幅度提高染料敏化太阳能电池对红外太阳光的吸收并增强电池光电转换效率。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有技术制备的染料敏化太阳能电池的光电转换效率低的技术问题，而提供一种上转换NaYF4：Yb3+/Er3+@YOF核壳微米晶材料及其制备方法。本专利技术的上转换NaYF4：Yb3+/Er3+@YOF核壳微米晶材料是以Yb3+、Er3+双掺杂的β-NaYF4为核，以氟氧化钇(YOF)为壳的颗粒，其中按摩尔百分比计，Yb3+、Er3+双掺杂的β-NaYF4中Yb3+占18％～22％，Er3+占1％～3％，Y3+占75％～81％。上述的上转换NaYF4：Yb3+/Er3+@YOF核壳微米晶材料的制备方法，按以下步骤进行：一、利用水热法制备β-NaYF4：Yb3+/Er3+，并干燥，得到β-NaYF4：Yb3+/Er3+粉体；其中按摩尔百分比计，β-NaYF4：Yb3+/Er3+粉体中Yb3+占18％～22％，Er3+占1％～3％，Y3+占75％～81％；二、将β-NaYF4：Yb3+/Er3+粉体置于氧化铝坩埚中，平铺均匀；然后将坩埚置于马弗炉中，在空气气氛下以5～20℃/min的升温速率加热至500～700℃并保持1～3h，得到上转换NaYF4：Yb3+/Er3+@YOF核壳微米晶材料。本专利技术，采用一种方便快捷的方法——高温烧结处理β-NaYF4：Yb3+/Er3+微米晶达到控制合成NaYF4：Yb3+/Er3+@YOF异质核壳结构微米晶。本方法直接通过在马弗炉空气的环境下烧结上转换微米晶，当退火温度达到一定值时，使其产生点缺陷，使氧元素逐渐进入β-NaYF4：Yb3+/Er3+外层晶格，便可以控制制备β-NaYF4：Yb3+/Er3+@YOF核壳结构，方法简单，耗时少，易操作。核壳结构的上转换微米晶具备以下优势：(1)高温烧结可以有效去除β-NaYF4表面的有机配位分子，并使晶体细化，通过去除内部缺陷而减少分子表面电荷重组。(2)制备方法中，随着烧结温度的升高，β-NaYF4的晶格遭到破坏，空气中的O2分子开始入侵晶格，在500℃时已经有部分YOF生成，600℃时生成最佳性能的β-NaYF4：Yb3+/Er3+@YOF核壳结构微米晶，该种结构是β-NaYF4和YOF两种基质的有机组合，一般而言，氟化物是一种理想的基质材料，因为其声子能量低、稀土离子可溶性好，具有最高效率的上转换效率，但是其热稳定性和机械强度低。而氧化物作为基质材料其化学稳定性和热稳定性高，将氟化物和氧化物结合起来将具有更优良的性能，这是一项全新的控制制备氟化物内核包覆氟氧化物形成高质量的核壳微米晶，并能保持很好形貌特征的技术。(3)高温烧结后，上转换微米晶具有更强的荧光效果，而且通过聚集生长可以得到更大尺寸的微米晶，增大反射的同时大大降低表面缺陷。综合以上三个优势，当高温烧结后的β-NaYF4：Yb3+/Er3+@YOF核壳结构微米晶用于TiO2光阳极时，可以有效地降低光电流的损失，使染料敏化太阳能电池具有更高的光电转换效率。本专利技术的上转换NaYF4：Yb3+/Er3+@YOF核壳微米晶材料为白色粉末，长约2um，横截面积宽约2um，尺寸均一，可用于染料敏化太阳能电池的制备。将其以质量分数1％的掺杂量掺入TiO2浆料中混合均匀后进行丝网印刷，得到掺杂微米晶的光阳极材料，它有明显的上转换作用。在标准条件下仅使用太阳光模拟器对制作的上转换基染料敏化电池进行照射，使染料敏化电池的光电转换效率从7.02％提高到8.39％。结果充分证实这种NaYF4：Yb3+/Er3+@YOF微米晶染料敏化太阳能电池光阳极材料能够有效提高染料敏化电池光阳极对红外波段太阳光谱的吸收，并通过减少表面缺陷而降低电子重组率，尺寸变大而增强对光的散射能力，这在提高太阳能电池的光电转换效率方面具有巨大潜力。附图说明图1是试验1中经步骤一的水热法得到的β-NaYF4：Yb3+/Er3+的扫描电镜照片；图2是试验1中经步骤二在400℃条件下退火得到的产品的扫描电镜照片；图3是试验1中经步骤二在500℃条件下退火得到的产品的扫描电镜照片；图4是试验1中经步骤二在600℃条件下退火得到的产品的扫描电镜照片；图5是试验1中经步骤二在400℃、500℃、600℃条件下退火得到的产品的XRD谱图；图6是试验1中经步骤二在400℃条件下得到的产品的EDS谱图；图7是试验1中经步骤二在500℃条件下得到的产品的EDS谱图；图8是试验1中经步骤二在600℃条件下得到的产品的EDS谱图；图9是试验1中经步骤二在500℃条件下得到的产品的EDS-maping谱图；图10是试验1中经步骤二在600℃条件下得到的产品的EDS-maping谱图；图11是试验1中步骤一的水热法得到的β-NaYF4：Yb3+/Er3+和经步骤二在400℃、500℃、600℃条件下退火得到的产品荧光光谱图；图12是试验1中步骤一的水热法得到的β-NaYF4：Yb3+/Er3+和经步骤二在400℃、500℃、600℃条件下退火得到的产品的电流密度-电压曲线。具体实施方式具体实施方式一：本实施方式的上转换NaYF4：Yb3+/Er3+@YOF核壳微米晶材料是以Yb3+、Er3+双掺杂的β-NaYF4为核，以氟氧化钇(YOF)为壳的颗粒，其中按摩尔百分比计，Yb3+、Er3+双掺杂的β-NaYF4中Yb3+占18％～22％，Er3+占1％本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种上转换NaYF4∶Yb

【技术特征摘要】
1.一种上转换NaYF4∶Yb3+/Er3+@YOF核壳微米晶材料，其特征在于该材料是以Yb3+、Er3+双掺杂的β-NaYF4为核，以氟氧化钇为壳的颗粒，其中按摩尔百分比计，Yb3+、Er3+双掺杂的β-NaYF4中Yb3+占18％～22％，Er3+占1％～3％，Y3+占75％～81％。2.根据权利要求1所述的一种上转换NaYF4∶Yb3+/Er3+@YOF核壳微米晶材料，其特征在于按摩尔百分比计，Yb3+、Er3+双掺杂的β-NaYF4中Yb3+占20％，Er3+占2％，Y3+占78％。3.根据权利要求1所述的一种上转换NaYF4∶Yb3+/Er3+@YOF核壳微米晶材料，其特征在于按摩尔百分比计，Yb3+、Er3+双掺杂的β-NaYF4中Yb3+占22％，Er3+占1％，Y3+占77％。4.制备权利要求1所述的一种上转换NaY...

【专利技术属性】
技术研发人员：郝树伟，田莉，尚云飞，陈童，杨春晖，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23