单种稀土红外一级量子剪裁在太阳能电池中的应用制造技术

本发明专利技术涉及单种稀土一级红外量子剪裁在太阳能电池中的应用，所述单种稀土为Er3+离子或Tm3+离子，其存在于位于太阳能电池的光入射表面上的量子剪裁层中，并且实现浅紫外和可见激发的三光子或四光子红外量子剪裁。

【技术实现步骤摘要】
单种稀土红外一级量子剪裁在太阳能电池中的应用
本专利技术涉及单种稀土红外量子剪裁在太阳能电池中的应用，具体而言，本专利技术涉及Er3+离子和Tm3+离子一级量子剪裁在太阳能电池中的应用。
技术介绍
能源问题已成为目前人类普遍关注的问题之一。太阳能作为一种理想的绿色能源，是一种国家亟需的、高效、环保、廉价和取之不尽用之不竭的新能源。太阳能的有效利用主要是太阳能的光电利用。太阳能电池就是一种实现光电转换的器件，其利用光电效应把太阳的光能转化成电能。然而，现在限制太阳能作为一般电源使用的主要障碍是成本高和效率低。量子剪裁是这样一种现象，其中，以双光子量子剪裁为例，每吸收一个紫外-可见光子就放出两个红外光子，激发能量分给了两个光子导致了吸收能无损耗的红移获得大于100％的发光效率。因此，量子剪裁现象对于提高太阳能电池效率从而降低太阳能发电价格是非常有利的。把量子剪裁现象应用到太阳能电池上仅仅需要在太阳能电池板上覆盖量子剪裁转换层就可以大幅度提高太阳能电池的效率，典型的量子剪裁太阳能电池的构造为：沿着太阳光的入射方向依次包括(1)量子剪裁层、(2)绝缘隔离层、(3)太阳能电池层、和(4)反射层(如图1所示)。目前，量子剪裁在太阳能电池方面的应用主要为双光子量子剪裁，并且为二级能量传递过程，在强度和速率方面均需要提高。因此，需要能够进一步提高太阳能电池的效率并实现三光子以上的量子剪裁的方法。一级红外量子剪裁有比二级红外量子剪裁高得多的能量传递几率(典型值为1000倍)；另外，理论上的三光子量子剪裁效率理论上最高可达300％。因此，一级红外三光子量子剪裁能够有效提高太阳能电池的发光强度和效率。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供能够进行三光子以上的一级红外量子剪裁的单种稀土红外量子剪裁在太阳能电池中的应用，从而获得高效太阳能电池。具体而言，本专利技术涉及以下内容：1.单种稀土红外一级量子剪裁在太阳能电池中的应用，所述单种稀土为Er3+离子或Tm3+离子，其存在于位于太阳能电池的光入射表面上的量子剪裁层中，并且实现浅紫外和可见激发的三光子或四光子红外量子剪裁。其中所述浅紫外和可见的波长范围为大约300nm到500nm。2.根据上述1的太阳能电池，其中所述量子剪裁层由含Er3+离子或Tm3+离子的玻璃陶瓷、玻璃、晶体或由它们形成的薄膜制成。3.根据上述2的太阳能电池，其中所述玻璃陶瓷是纳米相的氧氟玻璃陶瓷。4.根据上述2的太阳能电池，其中所述晶体是(Er或Tm)xGd1-xVO4晶体或(Er或Tm)xY1-xVO4晶体，其中x为0.1至1，优选0.1至0.5，更优选0.2至0.35。此处所述的YVO4晶体和GdVO4晶体是结构和性能相似的晶体，它们同属四方晶体，结构与锆英石极其相似，属单轴晶系，掺杂的稀土离子可替代Y3+或Gd3+离子，点对称性是D2d。YVO4晶体是比GdVO4晶体更早研究出来的晶体，研究发现YVO4晶体具有高的激光损伤阈值和很好的机械性能及化学稳定性、以及泵浦阈值低、激光发射截面大等特点。后来发现的GdVO4晶体具有更好的吸收和发射截面以及热学性质。5.根据上述1的太阳能电池，其中所述量子剪裁层中还含有敏化剂。6.根据上述5的太阳能电池，其中所述敏化剂选自Ce3+、Bi3+、Eu2+、Yb2+中的一种或多种或其电荷转移态。所述电荷转移态是指以下状态：电荷迁移过程是化合物中离子和离子之间较多出现的物理化学过程，电荷可以由金属离子转移到阴离子配位体，也可以由配位体转移到金属离子，迁移后的体系中的离子电荷有了新的分布，状态也相应出现改变。7.根据上述1的太阳能电池，其中所述太阳能电池沿着太阳光的入射方向依次包括(1)下转换量子剪裁层、(2)绝缘隔离层、(3)太阳能电池层和(4)反射层。8.根据上述7的太阳能电池，其中所述量子剪裁层和太阳能电池层之间的耦合是辐射耦合。9.根据上述1的太阳能电池，其中所述所述太阳能电池是锗太阳能电池。根据本专利技术，由于在锗太阳能电池的下转换量子剪裁层中采用了含Tm3+离子的玻璃陶瓷、玻璃或晶体或薄膜，而Tm3+离子的第一激发态3F4能级的能级重心为约g＝1776.7nm＝5628.5cm-1，最低Stark能级约l＝1851.0nm＝5403.0cm-1，与锗Ge离子的禁带宽度＝0.67eV＝5404.0cm-1非常接近，因此，可以很有效地进行从Tm3+离子的第一激发态3F4能级到锗Ge离子的共振能量传递，从而利用Tm3+离子的多光子量子剪裁实现理论上最大值可达300％的量子剪裁效率的有效的量子剪裁太阳能电池。另外，在本专利技术中，利用Ce3+、Bi3+、Eu2+、Yb2+等敏化剂的f-d电子组态间跃迁(或电荷转移态)和Tm3+离子自己的3H4、1G4、1D2、1I6等能级吸收的帮助，在紫外到可见区吸收了强而宽的太阳光谱能量，该强而宽的太阳光谱能量随后经能量传递传给了激活中心Tm3+离子的1G4等能级，从而可以充分利用Tm3+离子的多光子量子剪裁以实现很高的量子剪裁效率。附图说明图1为量子剪裁太阳能电池的结构示意图。图2为Er0.3Gd0.7VO4晶体材料的激发谱。图3为Er0.3Gd0.7VO4晶体材料的红外区的荧光光谱。图4为Er0.3Gd0.7VO4晶体中Er3+离子的能级结构图。图5为Er(3):FOV中Er3+离子的能级结构图。图6为Tm3+的能级结构图和量子剪裁过程示意图。图7为Er3+与敏化剂双掺材料的能级结构图和量子剪裁过程示意图。图8为Tm3+与敏化剂双掺材料的能级结构图和量子剪裁过程示意图。具体实施方式以下参考具体实施例详细说明本专利技术，但是这些实施例不以任何方式限制本专利技术的范围。实施例1Er0.3Gd0.7VO4晶体材料的红外量子剪裁效应首先，制备高浓度的Er0.3Gd0.7VO4晶体材料。以纯度为99.99％的V2O5，Gd2O3和Nd2O3化学试剂作起始原料。按化学计量比称量，混合均匀，在850℃下灼烧7h，得到Nd:GdVO4多晶料。Nd:GdVO4晶体生长采用中频感应加热引上法，生长容器是铱坩埚，充N2作保护气氛(加入适量的O2)，晶体生长方向为a或c，晶体生长的工艺参数与晶体及坩埚的直径有关，通常晶体等径生长时的提拉速度为1～2mm/h。测量Er0.3Gd0.7VO4晶体材料的激发谱和荧光光谱。图2显示了Er0.3Gd0.7VO4晶体材料的激发谱，图3显示了其红外区的荧光光谱。图3在上方的第一条线给出了在523.5nm激发光激发2H11/2能级的时候的800nm-1700nm的荧光光谱，图3在下方的第二条线给出了在823.5nm激发光激发4I9/2能级的时候的800nm-1700nm的荧光光谱(1648.0nm的窄线为激发光的谐波)。从可见区和红外区的荧光光谱中测量得到的荧光跃迁和它们的积分荧光强度都列于表1。表1的所有荧光强度为校准和归一之后的结果。表1.Er0.3Gd0.7VO4晶体材料的荧光线的校准的积分荧光强度和近似的量子剪裁效率η’。图4显示了Er0.3Gd0.7VO4晶体中Er3+离子的能级结构图。从该结构图可以看出Er红外量子剪裁的动力学过程：对于823.5nm光激发4I9/2能级的时候，激发到了4I9/2能级的粒子数可以通过自发辐射、无辐本文档来自技高网...

【技术保护点】
单种稀土一级红外量子剪裁在太阳能电池中的应用，所述单种稀土为Er3+离子或Tm3+离子，其存在于位于太阳能电池的光入射表面上的量子剪裁层中，并且实现浅紫外和可见激发的三光子或四光子的一级红外量子剪裁。

【技术特征摘要】
1.单种稀土一级红外量子剪裁在太阳能电池中的应用，所述单种稀土为Tm3+离子，其存在于位于太阳能电池的光入射表面上的量子剪裁层中，并且实现浅紫外和可见激发的三光子或四光子的一级红外量子剪裁，其中所述浅紫外和可见的波长范围为300nm到500nm，并且所述Tm3+离子来自TmxGd1-xVO4或TmxY1-xVO4晶体，其中x为0.1至1，或者来自含Tm3+离子的纳米相氧氟玻璃陶瓷。2.根据权利要求1所述的单种稀土一级红外量子剪裁在太阳能电池中的应用，其中所述x为0.1至0.5。3.根据权利要求1所述的单种稀土一级红外量子剪裁在太阳能电池中的应用，其中所述量子剪裁层中还含有敏...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈晓波，宋增福，
申请(专利权)人：北京师范大学，
类型：发明
国别省市：