具有协同频率转光性能的材料及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种具有协同频率转光性能的材料及其制备方法与应用，一种具有协同频率转光性能的材料，分子式为ＹｘＹｂｙ（∑Ｌｎ）ｚＦ３，０≤ｘ＜１，０＜ｙ＜１，０＜ｚ≤０．５０，Ｌｎ为稀土元素Ｃｅ、Ｔｍ、Ｅｒ、Ｈｏ、Ｄｙ、Ｔｂ、Ｇｄ、Ｅｕ、Ｓｍ、Ｎｄ、Ｐｒ中的任意一种或任意几种。制备所述的具有协同频率转光性能的材料的方法，采用常规的高温固相法、水热合成法或共沉淀法中的任意一种。本发明专利技术公开的具有协同频率转光性能的氟化物材料实现了上转换和量子剪裁下转换两种机制的结合，有效地把紫外光和红外光同时转换到了某一频率的可见光，并获得了该频率可见光的强度大于２倍的增强，成本低，合成方法简便，能批量生产。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及稀土材料发光领域及稀土材料合成
，尤其涉及一种协同频率 转光材料及其制备方法和应用。
技术介绍
作为可再生能源，太阳能价格低廉、取之不尽，是能够被人类自由利用的低碳发展 的重要能源。太阳辐射的能量最大值对应的波长为475nm，且近99%的太阳光能量分布在 220 4000nm宽广波段内。然而，由于受到半导体确定能隙宽度的限制，各种太阳能电池 都只能对各自特定的光谱范围的光实现较高效率的光电转换。例如，单晶硅太阳能电池的 光电转换效率最高值所对应的波长约为920nm，当光波长向长波方向和短波方向分别延展 到1380nm和690nm时，光电转换效率迅速下降50%左右。GaAs太阳能电池的光电转换效 率最高值所对应的波长约为800nm，当光波长向长波方向和短波方向分别延展到900nm和 400nm时，光电转换效率迅速下降40%左右。太阳能电池这一选择性利用光能的特性，使其 Shockley-Queisser理论极限效率往往较低，严重制约着光伏效应的发挥。为了增强对光能的利用率，文献报道的方案大多是采用光谱调制的方法转换光学 频率，将太阳光转换到各领域的吸收利用的最佳频带范围内，以改善其对太阳光谱的响应 特性。转换发光频率方式分为两种将短波长的光转换为长波长的光，称为下转换发光。相 反地，将长波长的光转换为短波长的光，则称为上转换。早在1996年，Gbart等就利用稀土 微晶玻璃的上转换发光，将GaAs基太阳能电池效率提高了 2.5% (P. Gibart, F. Auzel, et al.，Jpn. J. Appl. Phys.，199635 4401)。2002 年，Trupke 等提出了一种通过太阳能电池与 下转换或上转换材料耦合来提高电池的光电转换效率的新方案(T.Trupke，et al, J. App. Phys.，2002，92 1668 ；T. Trupke, et al，J. App. Phys.，2002，92 :4117)。2005 年，Shalav 等 将NaYF4 = Er3+上转换材料应用到双面硅太阳能电池的背面，电池在5. Imw的1523nm的光照 射下，外量子效率为 2. 5%，内量子效率为 3. 8% (A. Shalav et al，App. Phys. Lett.，2005， 86 013505.)。2006 到 2007 年间，Richards、Shalav、Strumpel 等在他们的综述性文章中 分别就上转换和下转换对改善光伏材料的光谱响应特性、提高太阳能电池的光电转换效率 的可能性和发光机理进行了详细的探讨和分析(B. S. Richards，et al, Sol. Energy Mater. Sol. Cells, 2006,90 1189 ；A. Shalav,et al，Sol. Energy Mater. Sol. Cells,2007,91 829 ； C. Strumpel, et al, Sol. Energy Mater. Sol. Cells, 2007，91 :238)。量子剪裁下转换被认 为是最有效的由高频率光向低频率光的转换方式，其转换效率接近200%，可以作为一种 有效的手段去提高太阳能电池的光伏效率。近来，Kawano等又利用KMgF3 = Sm晶体的下转 换作用，在氙灯激发下实现了 CdS/CdTe电池效率5%的增加(K. Kawano, B. C. Hong, et al, Optical Materials，2009，31 :1353)。现在，通过Yb3+实现红外量子剪裁下转换成为研究 热点，其目的是通过Yb3+发出的980nm左右的红外光来增强硅太阳能电池的光谱吸收能力 (S. Ye, B. Zhu, J. X. Chen, et al, Appl. Phys. Lett. 2008，92，141112 ；Χ. P. Chen, Χ. Y. Huang, et al, J. App. Phys.，2009，106 063518)。但是，目前大量的研究基本都集中在通过上转换或下转换的单一转换方式来增强 光伏效率，且效率还不够高。在下转换时，无辐射会造成热效应，对光伏器件产生加热作用。
技术实现思路
为了解决现有技术存在的转换过程中产生热效应，对光伏器件产生损害的问题， 本专利技术提供一种具有协同频率转光性能的材料及其制备方法与应用，制备方法简单，材料 可以同时实现上转换和下转换两种转光机制，显著提高电池效率。本专利技术的技术方案为一种具有协同频率转光性能的材料，分子式为YxYby( Σ Ln) zF3，0≤ χ < 1,0 < y < 1,0 < Z ≤ 0. 50, Ln 为稀土元素 Ce、Tm、Er、Ho、Dy、Tb、Gd、Eu、Sm、 Nd、Pr中的任意一种或任意几种。制备所述的具有协同频率转光性能的材料的方法，采用常规的高温固相法、水热 合成法或共沉淀法中的任意一种。高温固相法的具体合成方法是按化学计量比称取相应的稀土元素氟化物为原 料，均勻混合研磨后，加入无水乙醇研磨均勻后，烘干，加入NH4HF2后，在900 1300°C高温 煅烧后，自然冷却得到成品。水热合成法的具体合成方法为先将相应的稀土元素氧化物先用酸溶解，然后按 化学计量比选取相应体积溶液，混合后磁力搅拌均勻，按化学计量比加入NH4F溶液，继续进 行磁力搅拌反应，在140 160°C水热反应，然后自然冷却到室温，离心分离得到沉淀、烘干 得到成品。更优选为烘干后在400 600°C退火1 3小时得到成品。所述的共沉淀法的具体合成方法为将相应的稀土元素氧化物用酸溶解得到溶 液，按化学计量比选用相应体积的溶液混合后磁力搅拌，按化学计量比将NH4F或NH4HF2溶 液逐滴加入到混合液中，磁力搅拌反应，离心分离得到白色沉淀，超声洗涤、烘干，在600 900°C煅烧2 6小时，然后自然冷却到室温。使用所述的具有协同频率转光性能的材料发生协同转光的方法，同时使用紫外光 和红外光作为激发源对材料进行激发，所述的紫外光为340 400nm的紫外光，所述的红外 光为970 1064nm或1500 1600nm的红外光。更优选为同时使用373nm的紫外光与980nm红外光做为激发源对进行激发，或同 时使用365nm的紫外光与980nm红外光做为激发源进行激发，或同时使用373nm的紫外光 与1543nm红外光做为激发源进行激发。所述的具有协同频率转光性能的材料在制备太阳能光伏电池中的应用。有益效果(1)本专利技术利用一种协同转光机理，将上转换和量子剪裁下转换这两种转光机制 结合在一起，通过正反馈能量传递过程，在特定材料中同时实现上转换和量子剪裁下转换 方式，将使高频段和低频段的太阳光同时向中频光转换，最终将它们转换到电池光伏材料 所需要的最佳中频段，这样就能达到显著提高电池效率的目的。(2)由于正反馈能量传递过程中下转换的无辐射能量被转移并利用，无辐射造成 的热效应被消除，可大大削弱对光伏器件的附加热作用。很好的解决了热损失和子带损失 的问题。(3)本专利技术制得的材料实现了在同一种材料中某一频率的光的光强大于2倍的增 效，这消除了绝大部分热损本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有协同频率转光性能的材料，其特征在于，分子式为Ｙ↓［ｘ］Ｙｂ↓［ｙ］（∑Ｌｎ）↓［ｚ］Ｆ↓［３］，０≤ｘ＜１，０＜ｙ＜１，０＜ｚ≤０．５０；Ｌｎ为稀土元素Ｃｅ、Ｔｍ、Ｅｒ、Ｈｏ、Ｄｙ、Ｔｂ、Ｇｄ、Ｅｕ、Ｓｍ、Ｎｄ、Ｐｒ中的任意一种或任意几种。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：颜晓红，王祥夫，陈远，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：84[中国|南京]