宽谱敏化的Yb3+掺杂硅(氧)氮化物制备与近红外发光性能

The near infrared (NIR) quantum-cutting phosphors can be used to improve the efficiency of c-si solar cells. Rare-earth-doped silicon-（oxy）nitrides have rich structures based on [SiN4] or [(Si,Al)(N,O)4] tetrahedra, which can accommodate various cations and form complicated solid-solutions. These structures can adjust 5d energy levels of Ce3+/Eu2+ and luminescent features. The research activities are mainly focused on the silicon-(oxy)nitrides that have been demonstrated to exhibit excellent luminescence as LED phsophors. We will dope Ce3+/Eu2+ producing strong absorption in the spectral region of 300-500 nm, and co-dope Yb3+ with NIR emission well matching with c-si solar cells. We will study on crystal chemistry, and ion occupancies in different crystallographic sites, as well as their effects on sensitization, energy transfer, and quantum-cutting，and try to give energy transfer process and the quantum-cutting mechanism. The research purpose is to develop new rare-earth-activated silicon-(oxy)nitride phosphors with broadband absorption in 300-500 nm and NIR emission with high quantum, as spectral converters for c-si solar cells, by optimizing synthesis conditions, crystal chemistry, and structures.

具有近红外发射的量子剪裁型稀土发光材料可用于提高晶硅光伏电池的转化效率。 项目拟选取作为白光LED用荧光材料被广泛研究的硅（氧）氮化物为研究对象，通过掺杂Yb3+获得近红外发射，掺杂Ce3+或Eu2+实现宽谱吸收以及对Yb3+高效敏化，探索新型的近红外发光材料。在硅（氧）氮化合物的晶体结构中， Si与Al、O与N，以及不同阳离子之间可相互替代，形成丰富的结构类型及固溶体，可为稀土离子提供多变的晶体场。我们拟通过组分和结构调变，调控 Ce3+和Eu2+的晶体场和5d能级，从而高效敏化Yb3+。研究结构中不同晶体学位置可容纳的离子种类和含量，以及它们对敏化、能量传递和量子剪裁的影响，进而阐明稀土离子间的能量传递过程和量子剪裁机理。通过制备工艺、成分和结构的优化，获得性能优异的（在300-500 nm宽带吸收，近红外发射，高量子效率）稀土掺杂的硅（氧）氮化物太阳光谱转换材料。

具有近红外发射的稀土发光材料在提高晶硅光伏电池的转化效率和红外光学成像等领域具有重要应用价值。 本项目选取在白光LED照明用荧光材料领域被广泛研究的具有优异发光性能的硅（氧）氮化物为研究对象，重点研究其晶体化学特征和构效关系，通过组成和结构调控，进而调控 Ce3+和Eu2+的5d能级，以期高效敏化Yb3+等三价稀土离子。研究材料制备工艺、组成、结构与性能的关系，筛选用于太阳能光谱转换的、新型的宽带吸收和近红外发射的发光材料。 我们完成了计划书中规定的研究内容 ，达到了预期目标，取得的主要成果如下：（1）借助统计分析，获得了硅氮化物中Ce3+/Eu2+的5d能级重心位置和晶体场劈裂与基质化合物成分和结构的关系，为稀土离子光谱分析提供了重要科学依据；（2）研究了氮(氧)化物中诱导效应，以及诱导效应对Ce3+的5d能级和稀土离子电荷迁移带的影响规律，阐明了晶体局域结构、化学成分、诱导效应和电荷迁移过程之间的内在联系； （3）利用量子剪裁或能量传递设计和制备出了一系列稀土掺杂的红光或近红外发光材料；（4）对Ba2SiO4:Eu2+， Y3Al5O12:Ce3+ 和 SrLiAl3N4：Eu2+/Ce3+等发光材料进行了系统研究，阐明了晶体结构、电子结构和发光性能的内在联系。相关研究结果已在SCI收录的学术期刊上发表论文27篇，授权发明专利1项。