稀土掺杂NaYF4氧氟微晶玻璃的可控制备、发光及应用研究

In view of the shortcoming of the present amorphous silicon solar cells such as low photoelectric conversion efficiency and high cost, this project intends to use the upconversion luminescence properties of the rare earth ions in the oxyfluoride glass ceramics and convert the near infrared light into visible light, which can be absorbed by the amorphous silicon solar cells, improving the photoelectric conversion efficiency. The main objective of the research is the exploring of rare earth doped β-NaYF4 oxyfluoride silicate glass-ceramics with good physicochemical properties and excellent upconversion luminescence properties, accompanying with solving the basic issues involved in rare earth doped β -NaYF4 oxyfluoride silicate glass-ceramics for amorphous silicon solar cells. Through the adjustment and optimization of the precursor glass composition, melting process and heat treatment process, systematic study of the glass components, rare earth ion concentration, rare earth ion types and concentration, and the size, type and shape of crystallite particle on the luminescence properties of rare earth doped β-NaYF4 oxyfluoride silicate glass-ceramics, optimum glass composition, heat treatment process suitable for amorphous silicon solar cell are obtained. The final rare earth doped β-NaYF4 oxyfluoride silicate glass-ceramics can effectively modify the solar spectrum and lays the foundation and technical reserves for the next step development of high efficiency silicon solar cells as well as the final formation of independent intellectual property products.

针对目前非晶硅太阳能电池光电转换效率较低和成本高的缺点，本项目拟利用稀土离子上转换发光特性将非晶硅太阳能电池不能吸收的近红外光转换成可以吸收的可见光，从而提高非晶硅太阳能电池的光电转换效率。以探索物化性能和上转换发光特性优异的稀土掺杂β-NaYF4氧氟硅酸盐微晶玻璃为主要研究目标，以解决高效非晶硅太阳能电池用稀土掺杂β-NaYF4氧氟硅酸盐微晶玻璃所涉及的各项基础问题为主要研究内容。通过对基础玻璃组分、熔制工艺及热处理工艺的调整和优化，系统地研究玻璃组分、稀土离子浓度、敏化离子种类和浓度、微晶颗粒的大小、种类和形貌等因素对稀土掺杂β-NaYF4氧氟硅酸盐微晶玻璃发光性能的影响，优化出适合于非晶硅太阳能电池的最佳玻璃组分和热处理工艺，以期可以有效地对太阳光谱进行调制，为下一步高效非晶硅太阳能电池的研制以及最终形成自主知识产权的产品奠定应用基础和技术储备。

稀土掺杂氧氟微晶玻璃由于综合了氧化物玻璃和氟化物晶体的特点，从而具有氧化物玻璃的良好的机械性能和热稳定性以及氟化物低声子能量、高发光效率的特点，从而可以有效地将近红外光转变为可见光，在太阳能电池和温度传感等领域表现出良好的应用前景。本项目通过对基础玻璃组分、熔制工艺及热处理工艺的调整和优化，成功在氧化物玻璃中实现了包含NaYF4在内的一系列氟化物纳米晶玻璃中的可控析出。（1）实现了NaReF4(Re=Y/Gd)纳米晶在基质玻璃中的可控析出和增强的上转换发光，研究结果发现析晶过程中应力的存在有利于形成六方相的NaReF4纳米晶。（2）结合SiO2‒B2O3‒Na2O三元体系玻璃相图，设计玻璃组分，实现了Ba1－xLuxF2+x纳米晶在玻璃中的可控析出，结合Eu3+光谱对热处理前后的稀土离子在微晶玻璃中所处的格位进行了详细研究，且热处理前后Er3+的上转换发光强度至少提高了两个数量级。（3）根据SiO2‒Al2O3‒Na2O三元铝硅酸体系玻璃相图，实验发现玻璃组分中Na/Y比例的提高有利于在微晶玻璃中析出六方相的NaYF4，实现了纯NaYF4纳米晶在基质玻璃中可控析晶。在980nm激光泵浦下，上转换发光强度明显增强。（4）结合玻璃组分设计和工艺研究，实现了1立升玻璃的熔制，获得了高质量的透明氧氟微晶玻璃，其透过率高达80%以上，在980nm和1530nm附近出现了强的吸收峰，其上转换发光强度提高了至少三个数量级，有效拓宽了硅太阳能电池的响应范围，可用于高效非晶硅太阳能电池的研究，并最终提高其光电转换效率。