高效宽谱带敏化的新型Yb3+掺杂近红外下转换薄膜及其在硅电池的光电性能研究

The main objective of this project is to use broad and intense charge transfer transition and Ce3+/Eu2+ ions with 4f-5d absorption band as sensitizers to harvest UV and blue lights. The harvested energy will be transferred to M3+ ions (M=Tb, Pr and Tm) and subsequently to Yb3+, or directly to Yb3+ via down-converting energy transfer, i.e., generating two photons from one absorbed photon. Yb3+ give NIR emission, which is ideal for efficient absorption by Si solar cells. This materials focused research project will systematically investigate the optical properties, energy transfer and quantum cutting mechanisms in luminescent multi-ion system Ce3+/Eu2+-M3+-Yb3+ and Ce3+/Eu2+-Yb3+ system . Thin films of the rare earth doped oxide materials and Si solar cell combined with rare earth luminescent thin film will be both investigated. We anticipate that highly efficient, highly stable and highly transparent NIR down-converting luminescent film be developed and advanced understanding gained in the chemistry, physics and materials science of downconversion.

基于Yb3+离子近红外下转换材料在高效太阳光利用和提高硅太阳电池光电转化效率等前沿技术领域具有重要的潜在应用前景。但目前研究主要集中在材料的块体形态，着重从光谱学层面，研究近红外下转换的新方式与机理以及优化近红外发光性质，未涉及下转换材料与硅太阳电池的结合方式以及在硅太阳电池的光电性能研究；本项目拟将纳米薄膜材料与近红外下转换太阳光谱修饰结合，在钼酸盐和硅酸盐等纳米粉体与薄膜的可控合成基础上，深入研究组成、粒径尺寸、形貌和光学性质之间的构效关系与规律，获得高透光率的纳米薄膜；利用具有强、宽带特性的电荷迁移带和Ce3+/Eu2+的4f-5d跃迁，高效吸收紫外光与蓝光，最终通过Yb3+离子获得双光子的强近红外发射，实现其近红外发射波长与硅半导体禁带宽度之间的良好匹配，研究并优化纳米薄膜的近红外下转换方式、效率与机制，探索研究其在硅太阳电池的光电性能，为未来提高硅电池光电效率提高实验依据；

稀土太阳光谱转换材料研究主要集中在粉体块材，而纳米和薄膜形态的研究相对匮乏，这严重制约了其在太阳电池的相关研究。本项目针对性开展工作并取得了以下主要研究进展：1）获得了一种基于基质敏化的宽谱带、强吸收的稀土钼酸盐光转换材料，两种基于稀土离子4f-5d跃迁的宽谱带、强吸收的单模式和双模式（下转移和量子剪裁）稀土磷酸盐和硅酸盐光谱转换材料，拓展并丰富了面向硅基和锗基太阳能电池的宽谱带型稀土光转换材料的设计理念；2）报道了多种纳米稀土光谱转换材料与薄膜的合成方法，包括利用静电纺丝法获得了稀土硅酸盐的纳米带以及纳米复合EVA薄膜材料制备，以及利用前驱体核壳结构设计和高温扩散反应机制，获得了具有中空球形、形貌与粒径单分散的纳米稀土硅酸盐光谱转换材料，为面向未来高效光谱下转换薄膜的均匀分散的纳米材料，提供了可控合成新方法，阐明了可控合成与形貌调控机理；3）获得了一种基于纳米沸石的高效稀土配合物光谱转换材料，量子效率达到71%；提出了基于去质子化作用的荧光增强机理；获得了一种紫外至红光转换的高效稀土下转换薄膜；4）获得了一种力学、电学和热学性能均优良的从紫外转换至近红外的稀土纳米复合光转换薄膜，与太阳能电池核心材料EVA薄膜相比，其剥离强度、胶粘力和热导分别相对提升了29%、35%和78.2%，电阻性质基本不变，透光率保持在90%；上述工作进一步推进了稀土光谱转换材料在太阳能电池的研究，为未来提高硅电池光电效率提供了实验依据和设计理念；本项目执行期间，共计在Chem. Mater.、Nanoscale、ACS Appl. Mater. Inter.等学术期刊发表SCI论文16篇（其中影响因子IF大于4的论文共10篇，影响因子IF大于7的论文共5篇，影响因子IF大于9的论文共1篇，高被引ESI论文2篇；单篇被引用最高53次，论文总被引用次数226次，篇均被引用14次）；撰写英文专著1个章节；共计授权国家发明专利3项，申请国家发明专利1项; 此外，应邀参加国际和国内学术会议，分别做邀请报告或主题报告共5人次和6人次；