稀土离子激活LaOF的近红外发光性质及能量传递研究

发布时间：2019-10-13 03:57

【摘要】：近年来,商用单晶或多晶硅基太阳能电池主导着光伏市场,但是较低的光电转换效率一直是太阳能电池大规模生产和应用的瓶颈,其效率远远低于Shockley-Queisser理论的转换效率极限30%。能量损失有两个主要原因:第一,只有能量大于单晶硅的禁带宽度的太阳光才能被硅基太阳能电池所吸收,然而当太阳光子的能量远大于单晶硅的禁带宽度时,大部分光子的能量在转换的过程中以热能的形式损耗掉;第二,太阳光中能量小于单晶硅禁带宽度的光子不能被硅基太阳能电池吸收。在提高硅基太阳能电池光电转换效率的众多解决途径中,下转换或量子剪裁稀土掺杂发光材料能将电池光谱响应较差的一个短波长光子转换为两个或多个近红外光子,从而使一个高能量的光子可以产生两个或多个电子空穴对,大大减少了由于无辐射弛豫损耗掉的光能。当前研究中有不少关于下转换和量子剪裁发光材料的报道,但报道中,对如Pr3+,Yb3+或Nd3+,Yb3+共掺的发光材料中稀土离子之间的能量传递过程认识并不统一和清楚。本文以LaOF作为研究基质,采用水热法制备出了一系列掺杂不同稀土离子的粉末样品。通过对样品XRD、发光光谱和衰减曲线的表征与分析,研究了基质到稀土离子、稀土离子之间的能量传递机理,具体研究内容如下:1.采用水热法制备了不同掺杂浓度的样品LaOF:Nd3+,LaOF:Yb3+和LaOF:Nd3+,Yb3+。LaOF:Nd3+,Yb3+监测Yb3+离子发光的激发光谱和在355nm波长激发下,监测Nd3+4D3/2能级发光的衰减曲线表明了Nd3+(4D3/2→4G5/2)到Yb3+(2F7/2→2F5/2)交叉驰豫能量传递,但能量传递效率较低。大部分电子主要从Nd3+4D3/2能级快速无辐射弛豫到4F3/2能级,Nd3+离子到Yb3+离子的能量主要从Nd3+4F3/2传递给Yb3+2F5/2的能级。此外,还发现了基质到Yb3+离子的能量传递和Yb3+离子向Nd3+离子的反向能量传递:Yb3+(2F5/2→2F7/2)到Nd3+(4I9/2→4F3/2)。2.由于Nd3+4f3能级跃迁是宇称禁戒的,因此LaOF:Nd3+,Yb3+对近紫外和可见光的吸收系数较小。为了提高材料对太阳能中高能量光子的吸收率,本部分内容在上述实验的基础上,通过掺杂Bi3+来提高发光材料的吸收系数,并研究了样品的发光性能及其能量传递过程。采用水热法制备了不同掺杂浓度的样品LaOF:Bi3+,LaOF:Bi3+,Nd3+,LaOF:Bi3+,Yb3+和LaOF:Bi3+,Nd3+,Yb3+。样品LaOF:Bi3+,Nd3+的发射光谱和激发光谱均表明Bi3+1S0能级到Nd3+离子存在能量传递。LaOF:Bi3+,Nd3+,Yb3+的发射光谱表明了Bi3+离子1S0能级先将激发能传递给Nd3+,然后Nd3+将能量传递给Yb3+。而样品LaOF:Bi3+,Yb3+的激发和发射光谱表明Bi3+离子到Yb3+离子存在直接能量传递。3.采用水热法制备了不同掺杂浓度的样品LaOF:Pr3+,和LaOF:Pr3+,Yb3+,测得了样品的发光光谱和衰减曲线,并对其能量传递过程进行了分析。监测LaOF:Pr3+,Yb3+发射波长为976 nm的激发光谱和471 nm波长激发下的Pr3+3P0能级发光的衰减曲线表明了样品LaOF:Pr3+,Yb3+中Pr3+(3P0→1G4)到Yb3+(2F7/2→2F5/2)的能量传递。此外,样品LaOF:Pr3+监测1060 nm的激发光谱和LaOF:Pr3+,Yb3+监测976 nm的激发光谱表明了基质和Pr3+离子3P0能级以及Pr3+离子4f5d能级到Yb3+离子均存在能量传递。
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：O482.31

【参考文献】