透明玻璃陶瓷的近红外量子剪裁发光及其降低硅太阳电池热化效应的机理研究

理论研究表明，具有近红外量子剪裁发光特性的材料可望降低硅太阳电池的载流子热化效应，从而提高电池的光电转换效率。本项目拟采用熔体急冷法和可控晶化热处理，制备镶嵌了掺杂稀土离子对、具有不同声子能量的氯化物或氟化物或氧化物纳米晶的新型透明玻璃陶瓷量子剪裁发光材料。重点研究稀土离子对在纳米复合结构玻璃陶瓷中的近红外量子剪裁发光动力学过程和机理，分析稀土在纳米晶晶格内部和在晶界处的占位与分布、稀土-晶场环境之间的电声子相互作用和稀土发光寿命、发光效率的关系，总结纳米晶的声子能量、尺度、结晶分数对稀土量子剪裁发光特性影响的规律，丰富纳米复合体系稀土发光光谱学；通过调控组分、结构，优化材料光学性能。将透明玻璃陶瓷与硅太阳电池耦合，测量分析电池光谱响应曲线和I-V曲线的变化，并建立物理模型，研究玻璃陶瓷对电池载流子热化效应的抑制作用和相关机理，为通过光频转换提高太阳电池能量效率奠定实验与理论基础。

本项目针对面向光伏领域具有重要应用前景的频率转换透明玻璃陶瓷材料系统地开展了合成制备、显微结构调控、光频转换发光（主要包括近红外量子剪裁下转换发光）及其微观机理、以及光频转换玻璃陶瓷/硅太阳电池耦合体光电响应特性的研究。成功制备了一系列稀土离子掺杂的含氟化物、氯化物、氧化物或硫化物纳米晶的透明玻璃陶瓷，实现了显微结构调控；探明了不同稀土离子对之间能量传递的动力学过程，获得了优异的光频转换性能；建立了材料结构与发光特性之间的关联，进一步深化了稀土光谱物理学；将光频转换透明玻璃陶瓷片与非晶硅电池耦合，电池在短波段光电响应明显增强，能量转换效率相应提高。研究成果在JACS、ACS Nano、Acta Mater.、Opt Lett.、Chem. Comm.、JMC等刊物共发表SCI论文34篇，获授权发明专利4项，另申报发明专利9项；培养研究生7名。很好地完成了项目任务，达到预期目标。