CN101864303A - 一种碱金属碱土金属磷酸盐荧光粉及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种碱金属碱土金属磷酸盐荧光粉及其制备方法。该材料的组成通式为：AB1-x-yPO4:Eu2+ x，Pr3+ y。该荧光粉的制备方法为：按通式比例准确称量原料，将上述组成通式中的元素的氧化物或相应的盐类，混合研磨均匀后，先在空气气氛下400～600℃烧结2～4小时，然后在还原气氛下850～1350℃烧结3～6小时，冷却后用玛瑙研钵研磨均匀。本发明公开的光转换材料在250～650nm波长范围内具有强吸收，其发射主峰位于930～1100nm，具有紫外至可见光区宽谱带激发和强近红外发射等优点，可作为硅基太阳能电池用光转换材料。
Description
技术领域
本发明涉及硅基太阳能电池用稀土光转换材料领域，具体涉及一种碱金属碱土金属磷酸盐荧光粉及其制备方法。
背景技术
由于能源危机，开发新能源已经成为当今世界的一项重要研究课题。在众多新能源中，太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源.也是清洁能源，不产生任何的环境污染，因此太阳能的研究和利用备受关注。而发展最快，最具活力的研究领域是太阳能的光电利用，即太阳能电池。太阳能电池是一种由于光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能的器件，是一个半导体光电二极管，当太阳光照到光电二极管上时，光电二极管就会把太阳的光能变成电能，产生电流。太阳能电池根据所用材料的不同可分为：硅太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池、聚合物多层修饰电极型太阳能电池、纳米晶太阳能电池、有机太阳能电池，其中硅太阳能电池是目前发展最成熟的，在应用中居主导地位。
晶体硅的禁带宽度约是1.12ev，相当于1000nm，而太阳能谱中能量主要集中在可见光区，光谱的不匹配使得太阳光利用效率低，而电池热效应严重，这最终导致硅基太阳能电池光电转换效率低。因此调整太阳能谱，使可见光转化为能被太阳能电池高效吸收的红外光，是提高太阳能电池效率的一个有效途径。
目前，研究较多的硅基太阳能电池用稀土光转换材料主要利用的是Yb3+离子红外发射，但是Yb3+离子在紫外至可见光区吸收比较弱，或者几乎没有吸收。而Pr3+离子不仅有强的近红外发射，能够被硅基太阳能电池所吸收，同时在可见光区有吸收。因此，Pr3+离子掺杂的稀土光转换材料是潜在的提高硅基太阳能电池效率的材料。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，提供一种可被紫外至可见光有效激发且具有强近红外发射等优点的硅基太阳能电池用碱金属碱土金属磷酸盐稀土光转换材料。
本发明的另一个目的是提供上述碱金属碱土金属磷酸盐稀土光转换材料的制备方法。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种碱金属碱土金属磷酸盐荧光粉，其化学组成式为：AB1-x-yPO4:Eu2+ x，Pr3+ y，其中，A＝Li、Na、K中的一种或多种，B＝Ca、Sr、Ba中的一种或多种，0.005≤x≤0.05，0.001≤y≤0.06。
上述碱金属碱土金属磷酸盐荧光粉的制备方法，包括如下步骤：根据化学组成式，称取Li、Na、K、Ca、Sr、Ba、P、Eu或Pr元素的氧化物或相应的盐类，充分混合均匀后，先在空气气氛下400～600℃烧结2～4小时，然后冷却至室温后取出并充分研磨，最后在还原气氛下850～1350℃烧结3～6小时，冷却至室温后，取出并充分研磨即得到碱金属碱土金属磷酸盐荧光粉。
在上述制备方法中，所述还原气氛优选为氢气、炭、一氧化碳、或氮气与氢气混合气。
本发明所得碱金属碱土金属磷酸盐荧光粉能够有效吸收250nm～650nm的近紫外光和蓝光，并有效地发射峰值波长位于930nm～1100nm的红外光，是一种适用于硅基太阳能电池用的新型稀土光转换材料。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、本发明的稀土光转换材料使用Eu2+作敏化离子，以及原料相对丰富的Pr3+离子做激活离子，因此，材料的激发光谱非常宽，在紫外至可见光区(250nm～650nm)具有强的吸收，可有效吸收太阳光能。
2、本发明的稀土光转换材料具有强的近红外发射，发射主峰位于930nm～1100nm，其能量与硅的禁带宽度完美相匹配，是潜在的硅基太阳能电池用稀土光转换材料，可提高硅基太阳能电池的光电转换效率。
3、本发明的稀土光转换材料制备方法简单、易于操作。
附图说明
图1为实施例1的LiSr0.994PO4:Eu2+ 0.005，Pr3+ 0.001稀土光转换材料的室温激发和发射光谱图；
图2为实施例5的NaBa0.89PO4:Eu2+ 0.05，Pr3+ 0.06稀土光转换材料的室温激发和发射光谱图；
图3为实施例7本发明KBa0.985PO4:Eu2+ 0.005，Pr3+ 0.01稀土光转换材料的室温激发和发射光谱图；
具体实施方式
实施例1：LiSr0.994PO4:Eu2+ 0.005，Pr3+ 0.001稀土光转换材料的制备
分别称取磷酸二氢锂(LiH2PO4)0.5196g，碳酸锶(SrCO3)0.7337g，三氧化二铕(Eu2O3)0.0044g，十一氧化六镨(Pr6O11)0.0009g，将上述原料在玛瑙研钵中研磨混匀后，装入刚玉坩埚中，先在600℃下灼烧2小时，冷却至室温后取出并充分研磨，再装入刚玉坩锅中，加热前先通入高纯氮气将石英管内的空气排净，最后在CO气氛1350℃下灼烧3小时，冷却至室温后取出并充分研磨即得到样品。该稀土光转换材料的室温激发和发射光谱见图1。
实施例2：Li0.9Na0.1Sr0.985PO4:Eu2+ 0.01，Pr3+ 0.005稀土光转换材料的制备
分别称取碳酸锶(Li2CO3)0.1663g，碳酸钠(NaCO3)0.0265g，碳酸锶(SrCO3)0.7271g，磷酸氢二铵((NH4)2HPO4)0.6603g，三氧化二铕(Eu2O3)0.0088g，十一氧化六镨(Pr6O11)0.0043g，将上述原料在玛瑙研钵中研磨混匀后，装入刚玉坩埚中，先在500℃下灼烧3小时，冷却至室温后取出并充分研磨，再装入刚玉坩锅中，加热前先通入高纯氮气将石英管内的空气排净，最后在N2和H2混合气氛1250℃下灼烧4小时，冷却至室温后取出并充分研磨即得到样品。
实施例3：LiBa0.97PO4:Eu2+ 0.01，Pr3+ 0.02稀土光转换材料的制备
分别称取磷酸二氢锂(LiH2PO4)0.5196g，碳酸钡(BaCO3)0.9571g，三氧化二铕(Eu2O3)0.0088g，十一氧化六镨(Pr6O11)0.0170g，将上述原料在玛瑙研钵中研磨混匀后，装入刚玉坩埚中，先在600℃下灼烧2小时，冷却至室温后取出并充分研磨，再装入刚玉坩锅中，然后把坩埚放入装有活性炭的大坩埚中并盖紧盖子，放入箱式炉中在CO气氛1200℃下灼烧4小时，冷却至室温后取出并充分研磨即得到样品。
实施例4：Li0.95K0.05Ba0.95PO4:Eu2+ 0.02，Pr3+ 0.03稀土光转换材料的制备
分别称取碳酸锂(Li2CO3)0.1755，碳酸钾(K2CO3)0.0173，碳酸钡(BaCO3)0.9373g，磷酸氢二铵((NH4)2HPO4)0.6603g，三氧化二铕(Eu2O3)0.0176g，十一氧化六镨(Pr6O11)0.0255g，将上述原料在玛瑙研钵中研磨混匀后，装入刚玉坩埚中，先在500℃下灼烧3小时，冷却至室温后取出并充分研磨，再装入刚玉坩锅中，然后把坩埚放入装有还原性的活性炭的大坩埚中并盖紧盖子，放入箱式炉中在1150℃下灼烧5小时，冷却至室温后取出并充分研磨即得到样品。
实施例5：NaBa0.89PO4:Eu2+ 0.05，Pr3+ 0.06稀土光转换材料的制备
分别称取碳酸钠(NaCO3)0.2650g，碳酸钡(BaCO3)0.8781g，磷酸氢二铵((NH4)2HPO4)0.6603g，三氧化二铕(Eu2O3)0.0440g，十一氧化六镨(Pr6O11)0.0511g，将上述原料在玛瑙研钵中研磨混匀后，装入刚玉坩埚中，先在400℃下灼烧4小时，冷却至室温后取出并充分研磨，再装入刚玉坩锅中，并把刚玉坩埚放入刚玉舟中，然后放入管式电炉中，加热前先通入高纯氮气将石英管内的空气排净，最后在H2气氛950℃下灼烧5小时，冷却至室温后取出并充分研磨即得到样品。该稀土光转换材料的室温激发和发射光谱见图2。
实施例6：Na0.99K0.01Ba0.93PO4:Eu2+ 0.03，Pr3+ 0.04稀土光转换材料的制备
分别称取碳酸钠(NaCO3)0.2623g，碳酸钾(K2CO3)0.0035，碳酸钡(BaCO3)0.9176g，磷酸二氢铵(NH4H2PO4)0.5751g，三氧化二铕(Eu2O3)0.0264g，十一氧化六镨(Pr6O11)0.0340g，将上述原料在玛瑙研钵中研磨混匀后，装入刚玉坩埚中，先在400℃下灼烧4小时，冷却至室温后取出并充分研磨，再装入刚玉坩锅中，并把刚玉坩埚放入刚玉舟中，然后放入管式电炉中，加热前先通入高纯氮气将石英管内的空气排净，最后在N2和H2混合气氛850℃下灼烧6小时，冷却至室温后取出并充分研磨即得到样品。
实施例7：KBa0.985PO4:Eu2+ 0.005，Pr3+ 0.01稀土光转换材料的制备
分别称取磷酸二氢钾(KH2PO4)0.6804，碳酸钡(BaCO3)0.9719g，三氧化二铕(Eu2O3)0.0044g，十一氧化六镨(Pr6O11)0.0085g，将上述原料在玛瑙研钵中研磨混匀后，装入刚玉坩埚中，并把刚玉坩埚放入刚玉舟中，先在600℃下灼烧3小时，冷却至室温后取出并充分研磨，再装入刚玉坩锅中，然后放入管式电炉中，加热前先通入高纯氮气将石英管内的空气排净，最后在CO气氛1200℃下灼烧4小时，冷却至室温后取出并充分研磨即得到样品。该稀土光转换材料的室温激发和发射光谱见图3。
实施例8：KBa0.96Sr0.005PO4:Eu2+ 0.015，Pr3+ 0.02稀土光转换材料的制备
分别称取磷酸二氢钾(KH2PO4)0.6804g，碳酸钡(BaCO3)0.9472g，碳酸锶(SrCO3)0.0037，三氧化二铕(Eu2O3)0.0132g，十一氧化六镨(Pr6O11)0.0170g，将上述原料在玛瑙研钵中研磨混匀后，装入刚玉坩埚中，并把刚玉坩埚放入刚玉舟中，先在600℃下灼烧3小时，冷却至室温后取出并充分研磨，再装入刚玉坩锅中，然后放入管式电炉中，加热前先通入高纯氮气将石英管内的空气排净，最后N2和H2混合气氛1150℃下灼烧5小时，冷却至室温后取出并充分研磨即得到样品。
实施例9：NaCa0.948Sr0.002PO4:Eu2+ 0.03，Pr3+ 0.02稀土光转换材料的制备
分别称取碳酸钠(NaCO3)0.2650g，碳酸钙(CaCO3)0.4744g，碳酸锶(SrCO3)0.0015，磷酸二氢铵(NH4H2PO4)0.5751g g，三氧化二铕(Eu2O3)0.0264g，十一氧化六镨(Pr6O11)0.0170g，将上述原料在玛瑙研钵中研磨混匀后，装入刚玉坩埚中，先在400℃下灼烧4小时，冷却至室温后取出并充分研磨，再装入刚玉坩锅中，然后把坩埚放入装有还原性的活性炭的大坩埚中并盖紧盖子，放入箱式炉中在950℃下灼烧5小时，冷却至室温后取出并充分研磨即得到样品。
实施例10：NaCa0.922Ba0.008PO4:Eu2+ 0.03，Pr3+ 0.04稀土光转换材料的制备
分别称取碳酸钠(Na2CO3)0.2650g，碳酸钙(CaCO3)0.4614g，碳酸钡(BaCO3)0.0079g，磷酸氢二铵((NH4)2HPO4)0.6603g，三氧化二铕(Eu2O3)0.0264g，十一氧化六镨(Pr6O11)0.0340g，将上述原料在玛瑙研钵中研磨混匀后，装入刚玉坩埚中，先在400℃下灼烧4小时，冷却至室温后取出并充分研磨，再装入刚玉坩锅中，并把刚玉坩埚放入刚玉舟中，然后放入管式电炉中，加热前先通入高纯氮气将石英管内的空气排净，最后在N2和H2混合气氛850℃下灼烧6小时，冷却至室温后取出并充分研磨即得到样品。
Claims (3)
1.一种碱金属碱土金属磷酸盐荧光粉，其化学组成式为：AB1-x-yPO4:Eu2+ x，Pr3+ y，其中，A＝Li、Na、K中的一种或多种，B＝Ca、Sr、Ba中的一种或多种，0.005≤x≤0.05，0.001≤y≤0.06。
2.权利要求1所述碱金属碱土金属磷酸盐荧光粉的制备方法，其特征在于包括如下步骤：根据化学组成式，称取Li、Na、K、Ca、Sr、Ba、P、Eu或Pr元素的氧化物或相应的盐类，充分混合均匀后，先在空气气氛下400～600℃烧结2～4小时，然后冷却至室温后取出并充分研磨，最后在还原气氛下850～1350℃烧结3～6小时，冷却至室温后，取出并充分研磨即得到碱金属碱土金属磷酸盐荧光粉。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述还原气氛为氢气、炭、一氧化碳、或氮气与氢气混合气。
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