稀土离子掺杂CaWO4荧光粉的近红外量子剪裁研究

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随着社会的发展,能源短缺和环境污染愈来愈制约着社会的可持续发展,因此太阳能等可再生能源越来越受到人们的关注。目前,在太阳能电池产业中硅太阳能电池占主导地位,然而硅太阳能电池无法在日常生活中大规模投入使用,主要原因是电池制造成本高,光电转换效率较低。光电转换效率低是因为硅太阳能电池的禁带宽度(Eg=1.12eV)与太阳光谱不匹配导致的,光子能量高于硅太阳能电池的禁带宽度时虽然被吸收,但是大部分以热能的形式损耗了,光子能量低于此带隙的则不能被吸收利用。如何通过光谱调制使太阳光更好地匹配太阳能电池的光谱吸收特性成为当前广泛关注的焦点。因此,人们提出量子剪裁发光材料的应用,通过吸收高能紫外光子将其转换成两个或多个可见或近红外低能光子,将这种发光材料应用在太阳能电池上有望提高其的转换效率。本文以制备用于太阳能电池的下转换材料为目的,采用高温固相法制备了CaWO4:Pr3+发光粉体,CaWO4:Pr3+,Yb3+及CaWO4:Yb3+下转换荧光粉。对实验样品的物相,发光性能进行表征和分析,对稀土离子之间的能量传递机理进行了分析。具体内容如下:1.采用高温固相法合成了CaWO4:Yb3+下转换荧光粉。在紫外光256nm激发下,在可见光区域和近红外光区域均有发射峰。随着Yb3+浓度的增加,428nm处的发光强度逐渐减弱,而Yb3+:998nm的发光强度先增强后减弱,这是由于Yb3+离子浓度掺杂过大而引起的浓度猝灭。分别监测998nm和428nm发射的激发谱,可以观察到在250nm-300nm之间重叠,可以推断WO42--Yb3+之间存在能量传递现象。2.采用高温固相法制备了CaWO4:Pr3+荧光粉,测试样品的物相结构和发光性能。结果表明:所有样品均为白钨矿结构的CaWO4。以Pr3+:652nm光监测样品,发现一个激发宽带(230-300nm)和三个尖锐的激发峰,其中激发宽带是WO42-基团的激发,而其他三个激发峰对应的是Pr3+的3H4→3PJ(J=0,1,2)跃迁,这说明WO42-和Pr3+之间存在能量传递。在263nm光激发下,随着Pr3+浓度的增加,基质CaWO4在430nm处的发光强度逐渐降低,而Pr3+离子652nm的发光强度在增强,这也说明WO42-到Pr3+间存在能量传递过程。Pr3+最佳掺杂浓度为1%。3.采用高温固相法制备CaWO4:Pr3+,Yb3+近红外量子剪裁荧光粉。在453nm光激发下,可以观察到波长位于1001nm,1030nm和1048nm的三个近红外发射峰,它们分别对应的是Yb3+:2F5/2→2F7/2和Pr3+:1D2→3F4的跃迁。为了进一步研究Pr3+-Yb3+之间能量传递,测量了不同Yb3+浓度的Pr3+:652nm的衰减曲线,可以观察到随着Yb3+浓度的增加,Pr3+离子的寿命逐渐缩短,这表明Pr3+与Yb3+的能量传递效率和量子效率逐渐提高。经过计算,最高量子效率约为166.9%。
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