提高硅太阳能电池转换效率的稀土近红外下转换材料研究

借助于下转换材料，将一个高能光子转换成两个能被硅太阳能电池吸收的近红外光子，可有效提高硅太阳能电池的光能转换效率。针对稀土近红外下转换材料窄带、弱吸收和Yb3+浓度淬灭等问题，以电子跃迁理论模型和能量传递机理为指导，首先选择具有f-d跃迁或电荷迁移态吸收的离子作为敏化离子，以实现对太阳光中短波段光的高效宽带吸收，并能将吸收的能量高效传递给下转换离子组合，如Tb3+-Yb3+。进而选用碱土离子玻璃基质，采用电荷补偿来实现Yb3+对碱土离子晶格的取代，并在局部晶格范围内形成Yb3+团聚，从而降低下转换材料因效率而对Yb3+高掺杂浓度的要求。然后，通过研究吸收光谱、发光强度、荧光寿命及下转换效率与敏化离子掺杂浓度之间的关系并结合能量传递模型，诠释下转换机理。最后，基于上述数据，优选掺杂离子和基质，初步制备有应用前景的近红外下转换材料，为可用于硅太阳能电池的下转换材料的研制提供可行方案和理论支持。

稀土下转换材料因其在提高硅太阳能电池光电转换效率方面的应用而备受瞩目。本课题按照项目计划，开展了一系列研究工作。一方面，制备了Yb3+与其他稀土离子（Tb3+，Pr3+和Nd3+）双掺的氟化物纳米晶粉体材料，系统研究了反应条件（如温度、反应时间、pH指、反应物化学计量比、表面活性剂等）对材料的形貌和晶相的影响规律；在上述样品中，均观测到从稀土离子到Yb3+的下转换发光，分析并阐明了下转换能量传递机理，并在Pr3+-Yb3+、Nd3+-Yb3+共掺的样品中获得较高的总量子效率。另一方面，与纳米晶粉体材料做对比，采用高温熔融骤冷-退火方法，成功制备了稀土离子掺杂、具有较低声子能量的透明玻璃陶瓷包裹的氟化物Ba2YbF7、α-NaYF4、β-NaGdF4纳米晶，通过精确调控原料配比、烧结温度、退火温度和退火时间等，获得了透过率超过90%的透明玻璃陶瓷，实现了在玻璃陶瓷中不同晶相、晶粒大小纳米晶的可控析出。另外，为有效降低下转换材料因效率而对Yb3+高掺杂浓度的要求，设计合成了不同Yb3+浓度与Tb3+双掺的二价碱土离子氟氧化物玻璃陶瓷（如BaF2），在较高Yb3+掺杂浓度（6%）下，获得了140%的总量子转换效率，从而有效降低了Yb3+的浓度淬灭效应。同时，采用红外光1500纳米激发，在Er3+离子掺杂β-NaGdF4纳米晶透明玻璃陶瓷中获得了Er3+离子在可见光和近红外光范围的上转换发光，评估了其应用在硅太阳能电池上的可能性。本课题工作在国际学术期刊上共发表SCI论文16篇，包括一篇Nature Materials，两篇J. Phys. Chem. C，申请专利22项，授权5项，培养研究生3名，完成了研究任务。