用于硅太阳电池的ZnSe:（RE3+-Yb3+）下转换透明陶瓷或薄膜

由于可望提高晶体硅太阳电池光电转换效率并降低热化效应，RE3+-Yb3+ (RE=Pr, Tb, and Tm) 近红外量子剪裁下转换体系近年来备受关注。合适的基质材料可以有效提高该体系的转换效率。本项目以直接带隙半导体ZnSe为基质材料，从ZnSe:（RE-Yb）薄膜、透明陶瓷及异质结材料的制备入手，利用ZnSe在带隙以上的高吸收系数，充分吸收高能光子，并转变为与（Pr3+/Tb3+/Tm3+）的激发能量相匹配的带间跃迁；通过带隙以下的高透过率保证太阳电池对较低能量光子的原有利用效率；利用其低声子能量的优势抑制稀土离子的无辐射弛豫。重点研究ZnSe对太阳光的吸收效率、向稀土离子的能量转移效率、以及量子剪裁下转换量子效率的影响因素与机制。同时探索提高该下转换材料对高温、潮湿及高能紫外光子辐照的耐受性能的方法。本项目的研究，对提高硅太阳电池光电转换效率具有重要意义。

我们提出，通过选择具有合适禁带宽度的半导体或多组分合金半导体作为光吸收及能量施主，与（Ln3+－Yb3+)系列具有量子剪裁性能的稀土离子耦合对结合，通过实现Yb3+ NIR发光的宽带激发来充分利用紫外到可见区域太阳光能量，以期提高Si太阳电池光电转换效率。 用磁控溅射方法制备了ZnSe：（Tb, Yb）薄膜，得到了来自Yb3+ NIR发光从250nm－520nm范围内的宽带激发。表明ZnSe基质起到了吸收光子能量及能量施主的作用。从激发带的宽度上来讲，我们已经实现了预期目标。但从光谱曲线差的信噪比来看，薄膜的发光强度仍比较弱，其中主要的原因是由于掺杂稀土离子与半导体基质半径及电荷不匹配导致其在半导体基质中固溶度仍比较低。为了获得实际可应用的光转换材料，我们考虑避开掺杂方式，通过构建半导体/稀土光转换材料异质结的方式，在确保材料发光强度的基础上实现宽带光谱转换的目标。首先制备了ZnSe/Y2O3:(Tb, Yb, Li)系列嵌入型异质结构及ZnSe/ Y2O3:(Tb, Yb, Li)/Al2O3双层薄膜，获得了Yb3+ 强的NIR发光已经该发光从250－550nm范围内的连续宽带激发。通过一系列的光谱表征，我们确定Yb3+ NIR发光光谱展宽得益于ZnSe对高于其禁带宽度光子能量的充分吸收及ZnSe向（Tb，Yb）量子剪裁耦合对的能量传递。作为单一组分半导体，ZnSe的禁带宽度仍然比较固定，进一步我们用带隙可调的Cd1－xZnxS半导体与Y2O3:(Tb, Yb, Li)构成核壳结构型异质结构，得到了更强的来自Yb3+的NIR发光及该发光从250nm650nm的宽带激发。光谱测量所用光为等能光，考虑到实际到达地面的阳光分布后，该异质结阳光下Yb3＋发光的的有效激发面积比单一Y2O3:(Tb, Yb, Li)同样条件下测量的有效激发面积增长了2个数量级。在此过程中我们发明了一种用超近空间升华法制备核壳结构型异质结的方法，该方法是一种基于微小空间的升华再沉积过程，将SPS放电等离子体热压烧结与后期退火相结合，是实现包覆结构复相材料的一种洁净的制备手段。通过该法在Y2O3:（Ln3+，Yb3+）核上包覆多组分Cd1－xZnxS合金半导体，微小空间的升华再沉积使半导体的组分不容易偏析；制备过程不需要溶剂掺入，使材料具有高的纯度及低的缺陷密度，高温的升华再沉积制备半导体壳层