用于提高硅晶太阳能电池效率的高效稀土红外下转换材料研究

硅晶太阳能电池进一步发展的迫切任务是提高其能量转换效率。通过红外下转换材料可以将一个紫外或可见光子转换为两个红外光子，使其正好位于硅晶的响应灵敏区，从而降低热损耗，有望将硅太阳能电池能量转换效率的理论极限从30.9%提高至38.6%。最近已发现稀土Re-Yb（Re = Tb, Tm, Pr, Ce）掺杂的材料体系具有红外下转换的潜力，引起极大关注，但是关于下转换过程的发光机理及如何提高材料实际量子效率的研究非常匮乏。我们选取Re-Yb掺杂体系作为探索高效红外下转换材料的切入点，将通过光谱特性（含时间分辨谱）及其浓度、温度依赖的实验，试图对能量传递机制和影响下转换效率的主要因素（如浓度猝灭）进行深入研究，建立红外下转换发光机理的动力学模型，为探寻新材料提供物理依据，力争提高样品实际量子效率，向实用化迈进。

能量转换效率低是限制硅晶太阳能电池发展的一个关键因素。而下转换材料能够在吸收一个高能光子后释放出两个低能光子，与硅晶的禁带宽度更好匹配，从而有效提高太阳能电池的能量转换效率。Yb3+离子的4f跃迁能量与硅晶带隙宽度非常接近，于是利用Yb3+与其他稀土离子Re（Re = Tb, Tm, Pr, Ce等）共掺，以期通过它们之间的能量传递获得量子效率大于1的红外下转换发光材料就成为提高太阳能电池能量效率的新途径。我们以Re-Yb掺杂体系氟化物为切入点，试制了LaF3:Pr3+, Yb3+，NaYF4: Ho3+, Yb3+等稀土双掺氟化物，在这些材料中均观察到了基于交叉弛豫的下转换红外发光，相对于Tb-Yb或Tm-Yb双掺体系中作为二级过程的共合作能量传递下转换，Pr-Yb和Ho-Yb共掺体系的能量传递效率更高，从而下转换发光效率也更高。为了克服稀土离子宇称禁戒的4f组态内跃迁吸收较弱的缺点，我们又尝试在一系列含氧酸盐基质中实现从基质到掺杂Yb3+离子之间的直接能量传递。这些材料包括YVO4:Yb3+, CaMoO4:Yb3+, CaNb2O6:Yb3+, Sr2CeO4:Yb3+等，由于基质本身吸收效率高，这些材料通常表现出更高的实际发光效率。同时我们发现在氧化物基质如钒酸盐、铌酸盐中共掺过渡金属Bi3+离子，能将吸收带向长波方向扩展，进一步提高红外发光效率。此外，我们针对Yb3+发光浓度猝灭较强的不利因素，探寻了一种猝灭浓度极高的基质材料NaY(WO4)2，在该基质中Yb3+发光的猝灭浓度高达40%。对以上这些体系除了应用发光材料研究中的各种手段进行表征并不断优化其发光性能之外，我们还着重从发光物理、能量传递、材料结构等方面进行了详细探讨，为红外下转换材料研究的进一步开展提供了有价值的结果。