一种发光材料、其制备方法及应用技术

本发明专利技术提供了一种发光材料，具有石榴石晶体结构，其化学组成分子式为(Yb

【技术实现步骤摘要】
一种发光材料、其制备方法及应用
本专利技术涉及发光材料与太阳能电池
，特别是涉及一种发光材料、其制备方法以及在硅基太阳能电池中的应用。
技术介绍
太阳能是一种环境友好的能源，其每年向地球辐射的能量超过十亿太瓦时。发展能将太阳能转换成可利用电能的光伏技术也成为解决人类能源危机的最佳选择之一。在全球光伏材料市场中硅基光伏材料已经占到90％，因而硅基光伏材料的制备及其能量转换效率的提升也成为发展光伏技术的关键问题之一。然而，目前商用硅基太阳能电池的能量转换效率约为20％，即使在实验室，单节硅基太阳能电池的能量转换效率也只有30％左右。硅基太阳能电池能量转换效率较低的主要原因在于其光谱响应与太阳能光谱不匹配：低于硅材禁带宽度的长波光能量不能够被基体吸收，这部分能量不能产生载流子。例如，非晶硅太阳能电池，其禁带宽度约为1.7eV，在430～610nm光谱范围内的能量转换量子效率都超过80％，而对于波长大于800nm的光谱收集效率趋于零。为了拓展可利用太阳能的光谱范围，提高硅基太阳能电池的能量转换效率，可采用光谱修饰的方法，将长波段的光谱向短波段转换，使入射太阳能光谱与硅基太阳能电池的光谱响应匹配性更好。
技术实现思路
本专利技术的技术目的在于提供一种光谱修饰材料，可实现将红外光谱向可见光波段的光谱转换。本专利技术实现上述技术目的所采取的技术方案为：一种发光材料，该材料是以钆镓铝石榴石为基质，在基质中掺杂稀土发光离子的材料体系，具有石榴石晶体结构，其化学组成分子式为：(Ybx,Rey,Az,Gd3-x-y-z)(Gaw,Al5-w)O12其中，Re包含Er元素，还可以包含Ho、Fe、Tm、In中的一种或两种以上元素的组合；A为Y、Lu、B、Tb、Sc中的一种或两种以上元素的组合；x、y、z、w分别对应元素Yb、Re、A、Ga的摩尔含量，并且0.01<x<1.2，0.01<y<1.2，0<z<1.5，2<w<3。优选地，Re包含Er，还包含Tm，Ho，In，Fe中的一种元素。优选地，0.02<x<0.6。优选地，0.01<y<0.3。优选地，0<z<0.9。本专利技术还提供了一种制备上述发光材料的粉体的方法，该方法采用化学共沉淀合成具有特定元素比例前驱粉体，然后通过煅烧后得到具有完整石榴石晶体结构的发光材料粉体，具体包括如下步骤：(1)以可溶性铝盐，以及其他元素的可溶性氧化物作为前驱体，按照所述材料的化学组成分子式称量后溶于热HCl、热HNO3，或者两者的混合酸中，得到浓度为0.2～1.0mol/L的混合溶液A；选择氨水、碳酸氢铵，或者两者的混合溶液为沉淀剂溶液B，沉淀剂摩尔浓度为1～5mol/L；用反滴法将混合溶液A以1～100ml/min的滴速滴加到沉淀剂溶液B中，得到悬浮液，沉淀结束后，用抽滤或压滤的方法将悬浮液中的沉淀颗粒与溶液分离，并经水洗、干燥、研磨、过筛等步骤得到前驱粉体。(2)将前驱粉体在空气气氛中经700～1100℃煅烧处理，得到具有石榴石晶体结构的发光材料的粉体；作为优选，所述的步骤(1)中，原料纯度>99.99％。作为优选，所述的步骤(1)中，可溶性铝盐为Al2(SO4)3或者NH4Al(SO4)2·12H2O。作为优选，所述的步骤(1)中，其他元素的可溶性氧化物为Gd2O3，Ga2O3，Yb2O3，Lu2O3，Er2O3，Ho2O3，Tm2O3，In2O3，Fe2O3，Tb2O3，Sc2O3。作为优选，所述的步骤(1)中，所述混合溶液A的pH值在1.5～2.5之间。作为优选，所述的步骤(1)中，前驱体Ga2O3可单独溶解，然后与其他前驱体均匀混合。作为优选，所述的步骤(1)中，混合溶液A的摩尔浓度为0.2～0.5mol/L。作为优选，所述的步骤(1)中，沉淀剂溶液的摩尔浓度为2～4mol/L。作为优选，所述的步骤(1)中，当沉淀剂为混合液时，氨水/碳酸氢铵的摩尔比为0.25～5，更优选为0.25～1。作为优选，所述的步骤(1)中，滴加过程中伴随机械搅拌。作为优选，所述的步骤(1)中，沉淀过程在超声震荡条件下进行，以便沉淀颗粒粒径分散更加均匀。作为优选，所述的步骤(1)中，抽滤或压滤所用到的滤布/滤纸孔径为0.15～50μm。作为优选，所述的步骤(1)中，干燥过程为微波干燥、冷冻干燥或两者的结合形式，且微波干燥时粉料温度控制在70～90℃。作为优选，所述的步骤(1)中，干燥过后粉料含水量为1～5wt％。所述的步骤(2)中，前驱粉体煅烧所用的炉体中保持一定的空气流量。作为优选，所述的步骤(2)中，煅烧温度为800～950℃。作为优选，所述的步骤(2)中，煅烧时间为1～2小时。经步骤(2)制得的发光材料的粉体比表面积为10～30m2/g。综上所述，本专利技术以钆镓铝石榴石为基质，在基质中掺杂包含Yb、Er的稀土发光离子，通过掺杂稀土离子种类的选择以及摩尔含量的选择，得到具有石榴石晶体结构的发光材料，该材料利用Yb3+离子向Er3+的能量传递，可将980nm附近的红外光转换为可见光发射，实现将红外光谱向可见光波段的光谱转换，因此可作为光谱修饰材料应用在硅基太阳能电池中，使光谱与硅基太阳能电池的光谱响应匹配性更好，进而提高硅基太阳能电池的能量转换效率。当本专利技术的发光材料作为光谱修饰材料应用于硅基太阳能电池时，一种结构如图1所示，光谱修饰层2位于硅基太阳能电池单元1的背面，光谱修饰层2表面设置发射层3。当入射光照射在硅基太阳能电池单元的正面，其中短波段光谱经硅基太阳能电池单元转化为载流子，长波段光谱透过硅基太阳能电池单元，其中红外光谱经光谱修饰层作用转化为可见光谱，然后经反射层反射到硅基太阳能电池单元后被转换。作为优选，光谱修饰材料层的厚度为0.1～500μm。所述的光谱修饰材料层是由本专利技术的发光材料粉体构成，其构成形式可以是该发光材料的粉体通过PVD、丝网印刷、涂敷等方法制得的薄膜层；可以是使用该发光材料的粉体制成的微晶玻璃；也可以是使用该发光材料的粉体制成的透明陶瓷。使用本专利技术的发光材料的粉体制备微晶玻璃的一种方法如下：选择低软化点、低热膨胀系数的玻璃粉料，将本专利技术的发光材料的粉体与该玻璃粉料球磨混合，其中本专利技术的发光材料的粉体的体积百分含量为0.5～20％，干燥后用铂金坩埚装填，在马弗炉中升温至800～1400℃，然后迅速冷却至室温。作为优选，所述的玻璃粉料中不含Fe、Cu、Ti等金属离子。使用本专利技术的发光材料的粉体制备透明陶瓷的一种方法如下：将本专利技术的发光材料的煅烧后的粉体通过干压、凝胶注模、流延等成型方法得到一定尺寸规格的陶瓷塑坯，然后在氧气气氛中1550～1700℃烧结，之后经热等静压以及空气退火处理等步骤，得到透明陶瓷。作为优选，氧气气氛中烧结时，在烧结温度下保温1-5h。作为优选，热等静压最高温度为1500～1650℃。作为优选，热等静压最大压力为150～200MPa。作为优选，热等静压所用气氛为高纯氩气。附图说明图1是本专利技术发光材料作为光谱修饰材料应用于硅基太阳能电池中的结构示意图；其中，1为硅基太阳能电池单元，2为光谱修饰层，3为反射层。图2是本专利技术实施例1中制得的粉体D的X射线衍射图；图3是本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种发光材料，其特征是：是以钆镓铝石榴石为基质，在基质中掺杂稀土发光离子的材料体系，具有石榴石晶体结构，其化学组成分子式为：(Yb

【技术特征摘要】
1.一种发光材料，其特征是：是以钆镓铝石榴石为基质，在基质中掺杂稀土发光离子的材料体系，具有石榴石晶体结构，其化学组成分子式为：(Ybx,Rey,Az,Gd3-x-y-z)(Gaw,Al5-w)O12其中，Re包含Er元素，还可以包含Ho、Fe、Tm、In中的一种或两种以上元素的组合；A为Y、Lu、B、Tb、Sc中的一种或两种以上元素的组合；x、y、z、w分别对应元素Yb、Re、A、Ga的摩尔含量，并且0.01<x<1.2，0.01<y<1.2，0<z<1.5，2<w<3。2.如权利要求1所述的发光材料，其特征是：0.02<x<0.6；优选地，0.01<y<0.3；优选地，0<z<0.9。3.如权利要求1所述的发光材料，其特征是：所述发光材料将980nm附近的红外光谱转换为可见光。4.如权利要求1、2或3所述的发光材料的粉体制备方法，其特征是：包括如下步骤：(1)以可溶性铝盐，以及其他元素的可溶性氧化物作为前驱体，按照所述材料的化学组成分子式称量后溶于热HCl、热HNO3，或者两者的混合酸中，得到浓度为0.2～1.0mol/L的混合溶液A；选择氨水、碳酸氢铵，或者两者的混合溶液为沉淀剂溶液B，沉淀剂摩尔浓度为1～5mol/L；用反滴法将混合溶液A以1～100ml/min的滴速滴加到沉淀剂溶液B中，得到悬浮液，沉淀结束后，用抽滤或压滤的方法将悬浮液中的沉淀颗粒与溶液分离，并经水洗、干燥、研磨、过筛等步骤得到前驱粉体；(2)将前驱粉体在空气气氛中经700～1100℃煅烧处理，得到发光材料的粉体。5.如权利要求4所述的发光材料的粉体制备方法，其特征是：所述的步骤(1)中，可溶性铝盐为Al2(SO4)3或者NH4Al(SO4)2·12H2O；作为优选，所述的步骤(1)中，其他元素的可溶性氧化物为Gd2O3，Ga2O3，Yb2O3，Lu2O3，Er2O3，Ho2O3，Tm2O3，In2O3，Fe2O3，Tb2O3，Sc2O3；作为优选，所述的步骤(1)中，所述混合溶液A的pH值在1...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗朝华，蒋俊，江浩川，张继云，刘永福，
申请(专利权)人：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，
类型：发明
国别省市：浙江,33