稀土有机-无机杂化近红外量子剪裁纳米材料的制备与性能研究

The near infrared quantum cutting materials doped with rare earth ions have become the focuses of intensive research because of their promising applications in solar cells. The principal disadvantage of RE ions doped in inorganic matrixes is the low molar absorptivity associated with 4f → 4f transitions and narrow absorption band, which leads to inefficient optical excitation and low luminescence intensity. And the pure rare earth organic complexes possess disadvantages,such as poor optical,thermal and chemical stabilities and low mechanical strength. RE organic- inorganic hybrid luminescent materials combine the respective characteristics of organic and inorganic parts. RE organic - inorganic hybrid materials have not only improved the optical and thermal stabilities, but also increased photoluminescent intensity. Herein, in the work, we prepare the RE organic - inorganic hybrid nanomaterials by different designed ideas and synthesis methods, and systematically study their properties. The obtained optimum light conversion materials of RE organic -inorganic hybrid are dispersed in polymer. The composites that have high optical transmissivity and small optical dispersion and excellent optical function are prepared by bulk polymerization or spin method. As a downconversion luminescent convertor, the kind of composite materials would be used in silicon solar cells to reduce thermalization loss and enhance conversion efficiency of solar cells. However, to the best of our knowledge, there are very few reports on the research of application for solar cells.

稀土离子掺杂的近红外量子剪裁材料由于其在太阳能电池领域的潜在应用而成为近年来的研究热点。然而，掺杂在无机基质中的稀土离子摩尔吸光系数小、吸收截面低，导致光激发无效和发光强度低。而纯的稀土有机配合物的光、热和化学稳定性差，不易加工。稀土有机-无机杂化材料兼具有机和无机功能基团各自的性质。本项目拟采用不同的设计思路和合成方法制备具有近红外量子剪裁性质的稀土有机-无机杂化纳米材料，深入研究其发光性质、发光动力学，研究合成方法、有机配体种类、基质材料结构、掺杂稀土离子对儿及其相对掺杂浓度对材料光转换效果的影响。筛选出性能优异、高效的光转换稀土有机-无机杂化纳米材料，将其与折射率匹配的聚合物单体或溶液相结合，在一定条件下制备光透过率高、光色散小、光学性能优异的复合材料。此复合材料用作硅太阳能电池的光转换层，有望实现硅太阳能电池对太阳光的全谱吸收，减少硅太阳能电池因光谱失配造成的能量损失，提高硅太阳能电池的光电转换效率。

硅太阳能电池应用广泛。但在实际应用中硅太阳能电池存在光电转换效率低的问题。近年来，近红外量子剪裁材料在提高硅太阳能电池光电转换效率方面的研究倍受关注。目前对近红外量子剪裁材料的研究主要集中在体材料和玻璃上，纳米材料很少被研究。更主要地，目前所研究的体系中，掺杂在无机基质中的稀土发光中心离子摩尔吸光系数小、吸收截面低，导致光激发无效和发光强度低。而纯的稀土有机配合物的光、热和化学稳定性差，不易加工。稀土有机-无机杂化材料兼具有机和无机功能基团各自的性能和优势，显示出更加优越和广泛的应用价值和应用空间。. 项目采用不同的设计思路和合成方法制备了几种稀土有机-无机杂化纳米材料，深入研究了合成方法、无机基质结构和种类、有机配体种类、发光中心稀土离子对及其相对掺杂浓度对材料光转换效果的影响；采用几种不同的制备方法制备了一些近红外量子剪裁纳米材料，系统地研究了其发光性质、发光动力学，研究了合成方法、基质材料结构及所掺杂的稀土离子对及其相对掺杂浓度对材料光转换效果的影响；探索了有机-无机杂化近红外量子剪裁纳米材料在提高硅太阳能电池光电转换效率方面的应用：获得的有机-无机杂化近红外量子剪裁纳米材料，有效地实现了1000 nm左右的近红外光发射，这一发射波长与硅基太阳能电池的硅带隙相匹配，将其用于硅太阳能电池的光转换层，可有效减少硅太阳能电池因光谱失配造成的能量损失，提高硅太阳能电池的光电转换效率。. 由于太阳能电池的光电转换效率每提高一个百分点，将使太阳能电池组件的成本降低7%左右，因此项目研究将对提高硅太阳能电池光电转换效率具有非常重要的指导意义，若推广应用将带来良好的经济效益和社会效益。. 在国内外重要学术期刊上已发表论文12篇,其中SCI论文4篇，EI论文3篇，核心2篇，省级3篇，所发表论文中的理论和观点被同行多次引用；获吉林省自然学术成果奖一等奖和三等奖各1项；申报国家发明专利1项。