CN102719251B - 一种下转换发光增强复合粉体材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于固体发光材料领域，具体涉及一种下转换发光增强复合粉体材料及其制备方法。其化学组成表示式为：（Y_1-x-yPr_xYb_y）PO₄/zTiO₂，其中x的摩尔分数为1~20%，y的摩尔分数为1~30%，z的摩尔分数为0~50%。组成原料为：Y₂O₃、P₂O₅、Pr₂O₃、Yb₂O₃和TiO₂，其中Pr₂O₃摩尔分数为1~20%，Yb₂O₃摩尔分数为1~30%，TiO₂摩尔分数为0~50%。本发明的下转换发光增强复合粉体材料具有强的近红外光发射，特别是加入TiO₂后可以使材料的发光强度进一步增强并使近红外光区800~1100nm处的发射光谱宽化，发射主峰位置与硅的禁带宽度完美相匹配，可有效提高晶体硅太阳能电池的光电转换效率，是潜在的晶体硅太阳能电池用下转换发光增强复合粉体材料。

Description

一种下转换发光增强复合粉体材料及其制备方法

技术领域

本发明属于固体发光材料领域，具体涉及一种下转换发光增强复合粉体材料及其制备方法。

背景技术

由于不可再生资源的逐年消耗，能源问题被各国政府、学术界乃至广大公众所共同关注，开发新能源已经成为当今世界的一项重要研究课题。太阳能电池作为新能源发展的主要方向之一备受关注，世界各国政府均大力扶持太阳能光伏发电技术的研究与开发，并积极推进其产业化进程。目前市场上的太阳能电池产品主要以晶体硅太阳能电池为主，通过改善其材料的处理工艺可以使晶体硅太阳能电池的最高光电转换率达到25%，但仅依靠材料处理工艺的改进已经很难进一步提高其能量转换效率。晶体硅的禁带宽度约是1.12eV，相当于1100nm，因而无法将自然的太阳光能量完全吸收转换，只有波长小于1100nm的太阳光才能够在晶体硅太阳能电池中实现光电转换，而波长大于1100nm的红外光则无法被利用。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，另外由于电池热效应严重，这最终导致晶体硅太阳能电池光电转换效率低。因此调整太阳能光谱，使可见光转化为能被太阳能电池高效吸收的红外光，是提高太阳能电池次效率的一个有效途径。

下转换发光材料是将稀土离子掺杂于低能声子基质中制备而成，在光照射下一个高能量光子分裂成两个低能量光子，从而实现太阳能光谱的调整。目前研究较多的晶体硅太阳能电池稀土下转换发光材料主要利用的是Yb³⁺离子红外发射，其发射位于1000nm处与单晶硅的禁带宽度非常匹配。从2005年首次发现下转换发光现象的Tb³⁺-Yb³⁺离子对，到Tm³⁺-Yb³⁺、Pr³⁺-Yb³⁺等离子对，再到Ce³⁺-Yb³⁺、Eu²⁺-Yb³⁺离子对，在大量的材料中都观察到了下转换发光现象。本发明的下转换发光增强复合粉体材料在利用Yb³⁺离子发射的同时，通过加入金属氧化物TiO₂改进了其在紫外-可见区的吸收，进一步提高了Yb³⁺离子在800~1000nm处的发光强度并使800~1000nm处的发射光谱宽化，是潜在的提高晶体硅太阳能电池效率的材料。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可应用于晶体硅太阳能电池的下转换发光增强复合粉体材料及其制备方法，该方法制备的下转换发光增强复合粉体材料可将紫外-可见光转换为波长为800~1100nm的近红外光，使近红外区域发光进一步增强并且发射光谱宽化。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

本发明提供的下转换发光增强复合粉体材料，其化学组成表示式为：（Y_1-x-yPr_xYb_y）PO₄/zTiO₂，其中x的摩尔分数为1~20%，y的摩尔分数为1~30%，z的摩尔分数为0~50%。组成原料为：Y₂O₃、P₂O₅、Pr₂O₃、Yb₂O₃和TiO₂，其中Pr₂O₃摩尔分数为1~20%，Yb₂O₃摩尔分数为1~30%，TiO₂摩尔分数为0~50%。

上述下转换发光增强复合粉体材料的制备方法，包括如下步骤：按照化学计量比称取原料Y₂O₃、P₂O₅、Pr₂O₃、Yb₂O₃和TiO₂，其中Pr₂O₃摩尔分数为1~20%，Yb₂O₃摩尔分数为1~30%，TiO₂摩尔分数为0~50%。将称量好的原料放入球磨罐中，以无水乙醇为介质置于行星球磨机中球磨1~36h。球磨后所得浆料烘干，然后在700~2000℃烧结1~24h后随炉冷却。烧结后块体在研钵中研碎，过筛后得到所需的下转换发光增强复合粉体材料。

本发明粉体材料能够有效吸收440~500nm的紫外-可见光，并有效的发射波长为800~1100nm的近红外光，是一种适用于晶体硅太阳能电池应用的新型下转换发光增强复合粉体材料。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

（1）本发明的下转换发光增强复合粉体材料具有强的近红外光发射，特别是加入TiO₂后可以使材料的发光强度增强并使发射光谱宽化，其发射主峰位于800~1100nm能与硅的禁带宽度完美相匹配，可有效提高晶体硅太阳能电池的光电转换效率，是潜在的晶体硅太阳能电池用下转换发光增强复合粉体材料。

（2）本发明的下转换发光增强复合粉体材料结构稳定、制备方法简单、成本低、易于操作。

附图说明

图1为实例1所制得的下转换发光增强复合粉体材料的XRD图谱。

图2为实例2所制得的下转换发光增强复合粉体材料的XRD图谱。

图3为实例1和2所制得的下转换发光增强复合粉体材料在450nm波长激发下的发射光谱图。

图4为实例3所制得的下转换发光增强复合粉体材料在450nm波长激发下的发射光谱图。

图5为实例4所制得的下转换发光增强复合粉体材料在450nm波长激发下的发射光谱图。

具体实施方式

为了更好的理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

实施例1：（Y_0.95Pr_0.04Yb_0.1）PO₄下转换发光增强复合粉体材料的制备

根据化学式按照化学计量比称取原料Y₂O₃、P₂O₅、Pr₂O₃、Yb₂O₃，其中Pr₂O₃摩尔分数为4%，Yb₂O₃摩尔分数为1%。将称量好的原料放入球磨罐中，以无水乙醇为介质置于行星球磨机中球磨1h。球磨后所得浆料烘干，然后在2000℃烧结1h后随炉冷却。烧结后块体在研钵中研碎，过筛后得到所需的下转换发光增强复合粉体材料。其粉体材料的XRD图谱见图1，在450nm波长激发下的发射光谱见图3。

实例2：（Y_0.97Pr_0.01Yb_0.02）PO₄/0.07TiO₂下转换发光增强复合粉体材料的制备

根据化学式按照化学计量比称取原料Y₂O₃、P₂O₅、Pr₂O₃、Yb₂O₃和TiO₂，其中Pr₂O₃摩尔分数为1%，Yb₂O₃摩尔分数为2%，TiO₂摩尔分数为7%。将称量好的原料放入球磨罐中，以无水乙醇为介质置于行星球磨机中球磨12h。球磨后所得浆料烘干，然后在1200℃烧结3h后随炉冷却。烧结后块体在研钵中研碎，过筛后得到所需的下转换发光增强复合粉体材料。其粉体材料的XRD图谱见图2，在450nm波长激发下的发射光谱见图3。

实例3：（Y_0.7Pr_0.2Yb_0.1）PO₄/0.5TiO₂下转换发光增强复合粉体材料的制备

根据化学式按照化学计量比称取原料Y₂O₃、P₂O₅、Pr₂O₃、Yb₂O₃和TiO₂，其中Pr₂O₃摩尔分数为20%，Yb₂O₃摩尔分数为10%，TiO₂摩尔分数为50%。将称量好的原料放入球磨罐中，以无水乙醇为介质置于行星球磨机中球磨16h。球磨后所得浆料烘干，然后在1000℃烧结24h后随炉冷却。烧结后块体在研钵中研碎，过筛后得到所需的下转换发光增强复合粉体材料。

其粉体材料在450nm波长激发下的发射光谱见图4。

实例4：（Y_0.58Pr_0.12Yb_0.3）PO₄/0.2TiO₂下转换发光增强复合粉体材料的制备

根据化学式按照化学计量比称取原料Y₂O₃、P₂O₅、Pr₂O₃、Yb₂O₃和TiO₂，其中Pr₂O₃摩尔分数为12%，Yb₂O₃摩尔分数为30%，TiO₂摩尔分数为20%。将称量好的原料放入球磨罐中，以无水乙醇为介质置于行星球磨机中球磨36h。球磨后所得浆料烘干，然后在700℃烧结12h后随炉冷却。烧结后块体在研钵中研碎，过筛后得到所需的下转换发光增强复合粉体材料。其粉体材料在450nm波长激发下的发射光谱见图5。

Claims (1)

1.一种下转换发光增强复合粉体材料，其化学组成表示式为：

（Y_0.97Pr_0.01Yb_0.02）PO₄/0.07TiO₂，其中Pr₂O₃摩尔分数为1%，Yb₂O₃摩尔分数为2%，TiO₂摩尔分数为7%；

（Y_0.7Pr_0.2Yb_0.1）PO₄/0.5TiO₂，其中Pr₂O₃摩尔分数为20%，Yb₂O₃摩尔分数为10%，TiO₂摩尔分数为50%；

（Y_0.58Pr_0.12Yb_0.3）PO₄/0.2TiO₂，其中Pr₂O₃摩尔分数为12%，Yb₂O₃摩尔分数为30%，TiO₂摩尔分数为20%。

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