兼具量子剪裁与上转换性能的核壳氟化物胶体纳米晶

太阳发射光谱与硅基材料吸收光谱的失配是限制硅基太阳能光伏电池效率的瓶颈。高效的量子剪裁或者硅带隙以下波段的高效上转换发光是增强硅基太阳能的电池效率关键；然而目前缺乏相应的材料能将两者有机结合同时实现高效的量子剪裁和上转换发光，从而极大提高硅基太阳能电池的效率。胶体纳米晶是薄膜和器件制备的关键。本项目拟设计和获取独特核壳结构的氟化物纳米晶，利用壳层实现对高能太阳光子的量子剪裁，利用内核实现对硅带隙以下波段的上转换发光。同时该研究将涉及在胶体氟化物纳米晶中实现硅带隙以下多个波段的同时上转换，以及利用稀土离子或者有机分子拓展胶体纳米晶紫外和可见区的吸收。兼具量子剪裁和硅带隙以下波段上转换性能的核壳纳米晶的获取将会能更加有效地和全面地利用太阳能光谱，弥补只利用上转换材料或者只利用量子剪裁材料来增加太阳能效率的不足。

紫外和可见光谱区域的量子剪裁和红外光谱区域（硅带隙以下波段）的上转换是提高硅基太阳能电池光电转换效率的有效方法。第一年工作，我们首先通过在不同基质材料（NaYF4，NaGdF4，大尺寸LiYF4和小尺寸的LiYF4）中掺杂相同浓度的激活离子的方法对基质材料光学性能进行优化筛选. 研究表明NaYF4基质具有最高的上转换发射效率。接着重点开展Er3+（1523nm），Ho3+（1157nm）和Tm3+（1219nm）在NaYF4基质中单掺杂的红外上转换荧光特性，并测试LiYF4:10%Er3+和NaYF4:10%Er3+@NaYF4纳米晶的绝对上转换量子产率；两种材料分别从预期的0.3%提高到1.2%和3.9%。此外，我们采用多层结构NaYF4:10%Er3+@NaYF4@ NaYF4:10%Ho3+@NaYF4@NaYF4:1%Tm3+@NaYF4，成功将Er3+，Ho3+和Tm3+集成于单个纳米晶体中协同工作，并利用中间惰性隔离层的设计有效降低三种激活离子之间的能量交叉驰豫过程。最终我们设计的核壳结构实现对于硅带隙以下270nm范围红外光具有宽带上转换效应。第二年工作，我们开展Tb3+/ Yb3+，Pr3+/Yb3+和Er3+掺杂纳米晶这三种量子剪裁体系的系统研究。通过488nm激光激发时，实现990nm附近的量子剪裁光谱的发射，有力地证实这三种体系中量子剪裁过程的发生。测量Tb3+/Yb3+、Pr3+/Yb3+掺杂氟化物纳米晶的相关能级寿命，计算得出理论量子剪裁产率分别能达到183.7%和185.1%，超过预期的180%。随后，我们对NaLuF4:Tb3+,Yb3+系列样品进行表面包覆。研究发现当未包覆壳层时，Yb3+浓度为20%的样品量子剪裁效果最佳；当包覆壳层后，掺杂Yb3+为100%的样品量子剪裁效果最佳。第三年，采用NaYF4:10Er@NaLuF4@NaYF4:20%Yb,2%Tb@NaYF4多层核壳结构对上转换和量子剪裁两种技术进行集成。壳层结构的选择能将两种过程在纳米尺度进行有效空间分离，同时NaLuF4中间惰性隔离层的选择能调控能上转换和量子剪裁之间的相互影响。研究发现通过精细调控NaLuF4层厚度，能将体系上转换发光强度提高1.9倍和量子剪裁发光强度提高1.7倍。综上所述，我们成功完成自然科学基金计划的所有内容，并且获得一些更深层次的研究结论。