CN100567452C - 一种红外量子剪裁材料及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种红外量子剪裁材料及其制备方法与应用。该材料的化学式为:Gd1-x-yAl3(BO3)4:Tbx,Yby和Gd1-x-yBO3:Tbx,Yby,其中的0.01≤x≤0.2,0.01≤y≤0.99。制备时,将相应的稀土氧化物溶于硝酸,配成稀土硝酸盐溶液,按计量比加入固体硝酸、硼酸、及柠檬酸与尿素,混合均匀,利用燃烧法灼烧,即得产品。本发明中涉及的产品,可吸收485nm的可见光并在1000nm左右发射很强的红外光,此波段的光能有效被硅基太阳能电池吸收,经计算得其量子效率高达196%,该材料有望改善目前太阳能电池工作效率低的状况。
Description
技术领域
本发明涉及量子剪裁技术,特别是涉及能有效提高硅基太阳能电池工作效率的新型材料,具体涉及一种将吸收的可见光高效转换成能被硅基太阳能电池所利用的红外光的红外量子剪裁材料。
背景技术
20世纪70年代,人们首次发现Pr3+吸收一个波长位于真空紫外区的光子后,经量子剪裁过程,发射两个可见光子,分别是480nm的蓝光与620nm的红光,其量子效率大于100%,因此,有望应用于无汞荧光灯和等离子体显示屏(Phys.Rev.1973,B8,4989;J.Lumin.1974,8,341)。经过近30年有努力,人们又发现在Gd3+和Eu3+共掺的体系(如LiGdF4:Eu与BaF2:Gd,Eu)中的量子剪裁现象,Gd3+吸收一个真空紫外光子后,通过两步能量传递,把能量逐次传递给Eu3+,并发射两个可见光子(Science,1999,283,663;J.Lumin.2000,90,111)。
另一种量子剪裁材料,是吸收一个可见光子,发射两个或多个红外光子,其量子效率也大于100%。当前,报道这中材料是:YbxY1-xPO4:Tb(Phys.Rev.1997,B56,13841)。与本发明中所提供的红外量子剪裁材料同样发现位于可见光区与红外区的量子剪裁现象,前者的量子效率只有188%,而后者的量子效率达191%。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点,提供一种能有效提高硅基太阳能电池的工作效率的红外量子剪裁材料。其化学组成为Gd1-xAl3(BO3)4:Tbx,Yby和Gd1-xBO3:Tbx,Yby(其中的0.01≤x≤0.2,0.01≤y≤0.99)
本发明的目的通过如下技术方案实现:
本发明提供一种能有效提高硅基太阳能电池的工作效率的红外量子剪裁材料。其化学组成为Gd1-xAl3(BO3)4:Tbx,Yby或Gd1-xBO3:Tbx,Yby(其中的0.01≤x≤0.2,0.01≤y≤0.99),该材料的作用原理如下:Tb3+吸收一个485nm的可见光光子,Tb3+除本身发射微弱的绿光外,大部分的能量通过量子剪裁过程传递给Yb3+,使其在1000nm左右发射两个红外光子,这个波段的光恰好与目前广泛用于太阳能电池的硅基的能带隙匹配,其量子效率高达191%。将该材料放置于太阳能电池的表面,能有效提高目前广泛使用的太阳能电池的工作效率。
本发明的又一目的是提供上述红外量子剪裁材料的制备方法。将相应的稀土氧化物RE2O3及(RE=Gd3+,Tb3+,Yb3+)配成RE(NO3)3硝酸盐溶液,以Gd∶Tb∶Yb∶Al∶(BO3)=(1-x-y)∶x∶y∶3∶4或Gd∶Tb∶Yb∶(BO3)=(1-x-y)∶x∶y∶1(其中的0.01≤x≤0.2,0.01≤y≤0.99)的比例将稀土硝酸盐溶液,与硝酸铝及硼酸按目标产物计量比混合均匀,按稀土离子物质的量的1至3倍,加入柠檬酸与尿素作为燃料,利用燃烧法在950℃-1200℃灼烧4-10小时。本产品可吸收485nm的可见光并在1000nm左右发射出很强的红外光。
相对于现有技术,本发明具有如下优点和有益效果:
(1)本发明的红外量子剪裁材料能吸收可见光,通过量子剪裁,高效转换成红外光,其量子效率可高达145%-191%,而目前一般的发光材料的量子效率都远低于100%。
(2)利用本发明提供一种新型的红外量子剪裁材料能有效提高目硅基太阳能电池工作效率。目前硅基太阳能电池工作效率只有30%,因此,提高其工作效率非常具有现实意义。由于目前广泛使用的太阳能是以硅作为主要的基板,而硅的能带隙位于1000nm左右,与本发明中所提供的红外量子剪裁材料所发射的光波长匹配,因此,可预见将此种红外量子剪裁材料置于太阳能电池的表面,吸收太阳光,经量子剪裁过程,发射出两个能被硅基吸收的红外光子,能有效改善目前太阳能电池工作效率低的状况。
附图说明
图1:是本发明实施例1所得红外量子剪裁材料的XRD图。
图2:是本发明实施例1所得红外量子剪裁材料的(Yb0.1Gd0.89Tb0.01)Al3(BO3)4的激发光谱图。
图3:本发明红外量子剪裁材料(YbyGd0.89-yTb0.01)Al3(BO3)4(0.01≤y≤0.99)在541nm与980nm的发射光随Yb3+浓度的变化图。
图4:本发明红外量子剪裁材料(YbyGd0.89-yTb0.01)Al3(BO3)4(0.01≤y≤0.99)的能量传递效率与量子效率随Yb3+浓度的变化图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细的描述,但本发明要求保护的范围并不局限于实施例表示的范围。
实施例1
准确称取氧化钆(Gd2O3)1.4318g,氧化铽(Tb4O7)0.378g,氧化镱(Yb2O3)0.019g,溶于浓硝酸,得到浓度为0.05mol.L-1稀土硝酸盐溶液,将这些稀土硝酸盐溶液混合,并加入固体硝酸铝[Al(NO3)3·9H2O]11.253g,硼酸(HBO3)2.5968g,尿素1.81g,柠檬酸5.76g,在磁力搅拌器上搅拌30分钟,形成透明的溶液。然后转移至电磁炉上,慢火加热30分钟,将溶剂蒸干,随即观察到燃烧现象,冒出大量的棕色烟雾。燃烧后的物质转移至箱式炉中,在950℃灼烧4小时,自然冷却后取出,轻轻研碎,即得红外量子剪裁材料产品。该产品的XRD结果与图1所示,分别对应用纯相的GdAl3(BO3)4与GdBO3,并与标准XRD卡片38-1248与74-1932完全吻合。该产品的光谱特征如所图2所示,图中实线的监测波长为541nm,虚线的监测波长为980nm,与发射光谱(激发波长为485nm),此图说明了该材料可吸收一个485nm的蓝光光子,而且释放两个位于1000nm左右的红外光子。如图3所示,可通过掺杂浓度的调整,使541nm的绿光变弱,而1000nm左右的红外光变强。经检测,此实施例的量子效率为156%。
实施例2
准确称取氧化钆(Gd2O3)1.4318g,氧化铽(Tb4O7)0.0378g,氧化镱(Yb2O3)0.394g,溶于浓硝酸,得到浓度为0.05mol.L-1稀土硝酸盐溶液,将这些溶液混合,并加入固体硝酸铝[Al(NO3)3·9H2O]11.253g,硼酸(HBO3)2.5968g,尿素3.54g,柠檬酸1.92g,在磁力搅拌器上搅拌30分钟,形成透明的溶液。然后转移至电磁炉上,慢火加热30分钟,将溶剂蒸干,随即观察到燃烧现象,冒出大量的棕色烟雾。燃烧后的物质转移至箱式炉中,在1200℃灼烧5小时,自然冷却后取出,轻轻研碎,即得产品。产品的XRD结果与图1一致,光谱特征与图2基本一致,但是位于541nm与位于1000nm的峰的强度比有些不一样,而且发射峰的总强度也有差异(如图3所示)。经检测,其量子效率为172%。
实施例3
准确称取氧化钆(Gd2O3)0.8881g,氧化铽(Tb4O7)0.0378g,氧化镱(Yb2O3)0.985g,溶于浓硝酸,得到浓度为0.05mol.L-1稀土硝酸盐溶液,将这些溶液混合,并加入固体硝酸铝[Al(NO3)3·9H2O]11.253g,硼酸(HBO3)2.5968g,尿素1.18g,柠檬酸1.92g,在磁力搅拌器上搅拌30分钟,形成透明的溶液。然后转移至电磁炉上,慢火加热30分钟,将溶剂蒸干,随即观察到燃烧现象,冒出大量的棕色烟雾。燃烧后的物质转移至箱式炉中,在1200℃灼烧10小时,自然冷却后取出,轻轻研碎,即得产品。产品的XRD结果与图1相似,,光谱特征与图2基本一致,但是强度不一样(如图3所示),经检测,其量子效率为191%。
实施例4
准确称取氧化铽(Tb4O7)0.0378g,氧化镱(Yb2O3)1.950g,溶于浓硝酸,得到浓度为0.05mol.L-1稀土硝酸盐溶液,将这些溶液混合,并加入固体硝酸铝[Al(NO3)3·9H2O]11.253g,硼酸(HBO3)2.5968g,尿素3.54g,柠檬酸1.92g,在磁力搅拌器上搅拌30分钟,形成透明的溶液。然后转移至电磁炉上,慢火加热30分钟,将溶剂蒸干,随即观察到燃烧现象,冒出大量的棕色烟雾。燃烧后的物质转移至箱式炉中,在1100℃灼烧5小时,自然冷却后取出,轻轻研碎,即得产品,产品的XRD结果与图1相似,光谱特征与图2基本一致,但是强度不一样(如图3所示),经计算,其量子效率为182%。
实施例5
准确称取氧化钆(Gd2O3)1.4318g,氧化铽(Tb4O7)0.0378g,氧化镱(Yb2O3)0.394g,溶于浓硝酸,得到浓度为0.05mol.L-1稀土硝酸盐溶液,将这些溶液混合,并加入固体硼酸(HBO3)0.6163g,尿素1.18g,柠檬酸1.92g,在磁力搅拌器上搅拌30分钟,形成透明的溶液。然后转移至电磁炉上,慢火加热30分钟,将溶剂蒸干,随即观察到燃烧现象,冒出大量的棕色烟雾。燃烧后的物质转移至箱式炉中,在950℃灼烧4小时,自然冷却后取出,轻轻研碎,即得产品,产品的XRD结果与图1一致,光谱特征如所图2所示,经检测,其量子效率为130%。
实施例6
准确称取氧化钆(Gd2O3)1.721g,氧化铽(Tb4O7)0.0186g,氧化镱(Yb2O3)0.078g,溶于浓硝酸,得到浓度为0.05mol.L-1稀土硝酸盐溶液,将这些溶液混合,并加入固体硼酸(HBO3)0.6163g,尿素1.18g,柠檬酸1.92g,在磁力搅拌器上搅拌30分钟,形成透明的溶液。然后转移至电磁炉上,慢火加热30分钟,将溶剂蒸干,随即观察到燃烧现象,冒出大量的棕色烟雾。燃烧后的物质转移至箱式炉中,在1200℃灼烧5小时,自然冷却后取出,轻轻研碎,即得产品。产品的XRD结果与图1一致,光谱特征如所图2所示,经检测,其量子效率为146%。
实施例7
准确称取氧化钆(Gd2O3)0.8881g,氧化铽(Tb4O7)0.0378g,氧化镱(Yb2O3)0.985g,溶于浓硝酸,得到浓度为0.05mol.L-1稀土硝酸盐溶液,将这些溶液混合,并加入固体硼酸(HBO3)0.6163g,尿素1.18g,柠檬酸1.92g,在磁力搅拌器上搅拌30分钟,形成透明的溶液。然后转移至电磁炉上,慢火加热30分钟,将溶剂蒸干,随即观察到燃烧现象,冒出大量的棕色烟雾。燃烧后的物质转移至箱式炉中,在1200℃灼烧10小时,自然冷却后取出,轻轻研碎,即得产品。产品的XRD结果与图1一致,光谱特征如所图2所示,经检测,其量子效率为170%。
实施例8
准确称取氧化铽(Tb4O7)0.0378g,氧化镱(Yb2O3)1.950g,溶于浓硝酸,得到浓度为0.05mol.L-1稀土硝酸盐溶液,将这些溶液混合,并加入硼酸(HBO3)0.6163g,尿素1.18g,柠檬酸1.92g,在磁力搅拌器上搅拌30分钟,形成透明的溶液。然后转移至电磁炉上,慢火加热30分钟,将溶剂蒸干,随即观察到燃烧现象,冒出大量的棕色烟雾。燃烧后的物质转移至箱式炉中,在1200℃灼烧5小时,自然冷却后取出,轻轻研碎,即得产品。产品的XRD结果与图1相似,光谱特征如所图2所示,经检测,其量子效率为145%。
Claims (5)
1、一种红外量子剪裁材料,其特征在于,该材料以硼酸盐为基质,以稀土离子作为激活离子,化学组成为Gd1-x-yAl3(BO3)4:Tbx,Yby或Gd1-x-yBO3:Tbx,Yby,其中0.01≤x≤0.2,0.01≤y≤0.99。
2、根据权利要求1所述的红外量子剪裁材料,其特征在于,该材料能吸收可见光,通过量子剪裁,转换成红外光,其量子效率能达145%-191%。
3、一种权利要求1所述红外量子剪裁材料的制备方法,其特征在于:以硼酸钆或硼铝酸钆作为基质,以铽离子与镱离子作为激活剂,将稀土硝酸盐溶液、硝酸铝溶液及硼酸按目标产物计量比混合均匀,加入柠檬酸与尿素作为燃料,利用燃烧法在950℃-1200℃,灼烧4-10小时,即得红外量子剪裁材料。
4、根据权利要求3所述的红外量子剪裁材料的制备方法,其特征在于所述以硼酸钆或硼铝酸钆作为基质,以铽离子与镱离子作为激活剂,将稀土硝酸盐溶液、硝酸铝溶液及硼酸按目标产物计量比混合均匀是将相应的稀土氧化物RE2O3配成RE(NO3)3溶液,所述RE为Gd3+、Tb3+和yb3;以Gd∶Tb∶Yb∶Al∶(BO3)摩尔比为(1-x-y)∶x∶y∶3∶4或Gd∶Tb∶Yb∶(BO3)摩尔比为(1-x-y)∶x∶y∶1,将稀土硝酸盐溶液、硝酸铝及硼酸按目标产物计量比混合均匀,其中,0.01≤x≤0.2,0.01≤y≤0.99。
5、权利要求1所述红外量子剪裁材料作为硅基太阳能电池转换层的应用,其特征在于该红外量子剪裁材料制作的硅基太阳能电池转换层可吸收485nm的可见光,并发射出1000nm左右的红外光。
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掺Yb硼硅酸盐玻璃的光学特性及其双光子合作上转换荧光. 李善峰,苗壮,彭扬,张庆瑜.物理学报,第55卷第8期. 2006 |
掺Yb硼硅酸盐玻璃的光学特性及其双光子合作上转换荧光. 李善峰,苗壮,彭扬,张庆瑜.物理学报,第55卷第8期. 2006 * |
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