CN102817076A - 用于太阳光谱调制的Pr/Yb掺杂氟化钇锂单晶体及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于太阳光谱调制的Pr/Yb掺杂氟化钇锂单晶体及制备方法，LiYF₄单晶体具有声子能量低、宽波段光学透过性高、物化稳定性好等特点，在LiYF₄晶体中同时掺入Pr³⁺与Yb³⁺离子，掺杂离子浓度Yb³⁺≥Pr³⁺，在480nm光的激发下，Pr³⁺离子会将能量转移到Yb³⁺离子上，从而实现Pr³⁺离子吸收一个紫外480nm波长的光子，Yb³⁺离子释放出两个约980nm波长的近红外光子，有效实现对太阳光谱调制，获得较高的发光效率，该Pr/Yb掺杂氟化钇锂单晶体具有优秀的抗光辐照性能、机械性能、热学性能、物化性能及光学透过性能。该单晶体制备方法简单，单晶体纯度高，品质好。

Description

用于太阳光谱调制的Pr/Yb掺杂氟化钇锂单晶体及制备方法

技术领域

本发明涉及用于太阳光谱调制的单晶体，具体涉及用于太阳光谱调制的Pr/Yb掺杂氟化钇锂单晶体及制备方法。

背景技术

目前制作太阳能电池的主要材料为单晶与多晶硅，通过硅材料的光伏效应实现光能与电能的转化，但硅太阳能电池的光电转换效率很低，目前市面光电转换效率仅达到18%。这主要是由于太阳光源中波长小于400nm的紫外光和波长大于1100nm的红外光均无法得到有效吸收。硅材料对光的最大吸收在约1000nm，光谱调制技术通常有两条技术路线：一是吸收多个低能红外光子发射一个高能光子的上转换发光；二是吸收一个高能紫外光子发射两个低能光子的下转换发光，该现象又叫“量子剪裁”。“量子剪裁”效应是一种高效的下转换效应，其原理是通过发光离子之间的部分能量传递实现下转换的新途径。发光材料可以吸收一个真空紫外光子，由发光离子之间的能级跃迁达到能量传递的效果，最终实现辐射两个光子的过程，故其量子效率理论上可以达到200%。因此，量子剪裁材料能实现对太阳光谱的有效调制。现阶段稀土离子掺杂的量子剪裁材料主要有荧光粉体和玻璃两种材料，由于荧光粉体对太阳光产生很大的散射作用，这成为制约其大规模实际应用的最大瓶颈。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种能把紫外光高效率转换成硅材料易吸收的红外光，能有效实现对太阳光谱调制的Pr/Yb掺杂氟化钇锂单晶体及制备方法；该Pr/Yb掺杂单晶体具有优秀的抗光辐照性能、机械性能、热学性能、物化性能及光学透过性能。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：用于太阳光谱调制的Pr/Yb掺杂氟化钇锂单晶体，该Pr/Yb掺杂氟化钇锂单晶体的分子式为LiY_(1-x-y)Yb_xPr_yF₄，其中0.018≤X≤0.2, 0.001≤Y≤0.005。

上述X为0.06-0.07，Yb³⁺的浓度达6～7mol%时，900-1100nm波段红外荧光最强，Pr³⁺与Yb³⁺的能量转换效率达到约80%。

上述Pr/Yb掺杂氟化钇锂单晶体的制备方法，其步骤如下：

a、将LiF、YF₃、PrF₃、YbF₃按摩尔百分比51.5%：46.4～28.2%：0.12～0.5%：1.8～20%混合，置于碾磨器中，碾磨混合5～6h，得到均匀粉末的混合料；

b、将上述混合料置于舟形铂金坩锅中，再安装于管式电阻炉的铂金管道中，然后先用N₂气排除铂金管道中的空气，再在温度750～815℃，通HF气下，反应处理1～5小时，反应处理结束，关闭HF气体与管式电阻炉，用N₂气清洗管道中残留的HF气体，得到多晶粉料；除去多晶粉料中含有的H₂O与氟氧化物等杂质，多晶粉料纯度高；

c、将上述多晶粉料置于碾磨器磨成粉末，然后置于Pt坩埚中并压实，密封Pt坩埚；

密封就隔绝了空气和水汽，使得晶体生长过程中与空气和水汽隔绝，使生长的Pr/Yb掺杂LiYF₄单晶体品质高；

d、将密封的Pt坩埚置于硅钼棒炉中，用坩埚下降法生长晶体，生长晶体的参数为：炉体温度为920 ～980℃，接种温度为820 ～850℃，固液界面的温度梯度为20～80℃，坩锅下降速度为每小时0.2～2毫米，晶体生长结束后，以每小时20 ～80℃下降炉温至室温，得到Pr/Yb掺杂LiYF₄单晶体，该Pr/Yb掺杂LiYF₄单晶体的分子式为LiY_(1-x-y)Yb_xPr_yF₄，其中0.018≤x≤0.2, 0.001≤y≤0.005。

与现有技术相比，本发明的优点在于用于太阳光谱调制的Pr/Yb掺杂氟化钇锂单晶体及制备方法，LiYF₄单晶体具有声子能量低、300－5500nm宽波段光学透过性高、物化稳定性好等特点，在LiYF₄晶体中同时掺入Pr³⁺与Yb³⁺离子, 三价稀土离子取代Y3+离子的格位无需电荷补偿，以及相比拟的离子半径大小，可实现较大浓度的稀土离子掺杂，掺杂离子浓度Yb³⁺≥Pr³⁺，在480nm光的激发下， Pr³⁺离子会将能量转移到Yb³⁺离子上，从而实现Pr³⁺离子吸收一个紫外480nm波长的光子，Yb³⁺离子释放出两个约980nm波长的近红外光子，有效实现对太阳光谱调制，获得较高的发光效率，该Pr/Yb掺杂氟化钇锂单晶体具有优秀的抗光辐照性能、机械性能、热学性能、物化性能及光学透过性能。该单晶体制备方法简单，单晶体纯度高，品质好。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1

将纯度大于99.99%的LiF、YF₃、PrF₃、YbF₃按摩尔百分比51.5%：46.4%：0.3%：1.8%进行混合，置于碾磨器中，碾磨混合5～6h，得到均匀粉末的混合料，混合料置于舟形铂金坩锅中，再安装于管式电阻炉的铂金管道中，然后先用N₂气排除铂金管道中的空气，再将炉体温度逐渐升高至温度750～815℃，通HF气下，反应处理2小时，反应处理结束，处理过程中于HF尾气用NaOH溶液吸收，关闭HF气体与管式电阻炉，用N₂气清洗管道中残留的HF气体，逐渐冷却至室温，得到多晶粉料，多晶粉料置于碾磨器磨成粉末，然后置于Pt坩埚中并压实，密封Pt坩埚，将密封的Pt坩埚置于硅钼棒炉中，用坩埚下降法生长晶体，生长晶体的参数为：炉体温度为920 ～980℃，接种温度为820 ～850℃，固液界面的温度梯度为50～60℃，坩锅下降速度为每小时0.6～0.7毫米，晶体生长结束后，以每小时50 ～60℃下降炉温至室温，得到Pr/Yb掺杂LiYF₄单晶体，该Pr/Yb掺杂LiYF₄单晶体的分子式为LiY_(1-x-y)Yb_xPr_yF₄，其中X约0.018, Y约0.003，Pr³⁺与Yb³⁺的转换效率约41.07%，900-1000nm荧光强度60.5。

实施例2

与实施例1基本相同，所不同的只是LiF、YF₃、PrF₃、YbF₃摩尔百分比51.5%：42.2%：0.3%：6%，反应处理3小时，固液界面的温度梯度为40～50℃，坩锅下降速度为每小时0.4～0.5毫米，晶体生长结束后，以每小时40～50℃下降炉温至室温，其中X约0.06, Y约0.003，Pr³⁺与Yb³⁺的转换效率约75.6%，900-1000nm荧光强度100。

实施例3

与实施例1基本相同，所不同的只是LiF、YF₃、PrF₃、YbF₃摩尔百分比51.5%：36.2%：0.3%：12%，反应处理4小时，固液界面的温度梯度为70～80℃，坩锅下降速度为每小时1.5～2毫米，晶体生长结束后，以每小时70 ～80℃下降炉温至室温，其中X约0.12, Y约0.003，Pr³⁺与Yb³⁺的转换效率约80.4%，900-1000nm荧光强度40.6。

实施例4

与实施例1基本相同，所不同的只是LiF、YF₃、PrF₃、YbF₃摩尔百分比51.5%：28.2%：0.3%：20.0%，反应处理5小时，固液界面的温度梯度为20～30℃，坩锅下降速度为每小时0.2～0.3毫米，晶体生长结束后，以每小时20 ～30℃下降炉温至室温，其中X约0.2, Y约0.003，Pr³⁺与Yb³⁺的转换效率约82.5%，900-1000nm荧光强度12.7。

实施例5

与实施例1基本相同，所不同的只是LiF、YF₃、PrF₃、YbF₃摩尔百分比51.5%：42.38%：0.12%：6.0%，反应处理1小时，固液界面的温度梯度为30～40℃，坩锅下降速度为每小时0.5～0.6毫米，晶体生长结束后，以每小时60 ～65℃下降炉温至室温，其中X约0.06, Y约0.0012，Pr³⁺与Yb³⁺的转换效率约53.05%，900-1000nm荧光强度40.8。

实施例6

与实施例1基本相同，所不同的只是LiF、YF₃、PrF₃、YbF₃摩尔百分比51.5%：42.0%：0.5%：6.0%，反应处理4小时，固液界面的温度梯度为30～40℃，坩锅下降速度为每小时0.8～1毫米，晶体生长结束后，以每小时65 ～70℃下降炉温至室温，其中X约0.06, Y约0.005，Pr³⁺与Yb³⁺的转换效率约65.3%，900-1000nm荧光强度72.4。

Claims (3)

1.用于太阳光谱调制的Pr/Yb掺杂氟化钇锂单晶体，其特征在于该Pr/Yb掺杂氟化钇锂单晶体的分子式为LiY_(1-x-y)Yb_xPr_yF₄，其中0.018≤X≤0.2, 0.001≤Y≤0.005。

2.如权利要求1所述的用于太阳光谱调制的Pr/Yb掺杂氟化钇锂单晶体，其特征在于所述X为0.06-0.07。

3.权利要求1所述的用于太阳光谱调制的Pr/Yb掺杂氟化钇锂单晶体的制备方法，其特征在于步骤如下：

a、将LiF、YF₃、PrF₃、YbF₃按摩尔百分比51.5%：46.4～28.2%：0.12～0.5%：1.8～20%混合，置于碾磨器中，碾磨混合5～6h，得到均匀粉末的混合料；

b、将上述混合料置于舟形铂金坩锅中，再安装于管式电阻炉的铂金管道中，然后先用N₂气排除铂金管道中的空气，再在温度750～815℃，通HF气下，反应处理1～5小时，反应处理结束，关闭HF气体与管式电阻炉，用N₂气清洗管道中残留的HF气体，得到多晶粉料；

c、将上述多晶粉料置于碾磨器磨成粉末，然后置于Pt坩埚中并压实，密封Pt坩埚；

d、将密封的Pt坩埚置于硅钼棒炉中，用坩埚下降法生长晶体，生长晶体的参数为：炉体温度为920 ～980℃，接种温度为820 ～850℃，固液界面的温度梯度为20～80℃，坩锅下降速度为每小时0.2～2毫米，晶体生长结束后，以每小时20 ～80℃下降炉温至室温，得到Pr/Yb掺杂LiYF₄单晶体，该Pr/Yb掺杂LiYF₄单晶体的分子式为LiY_(1-x-y)Yb_xPr_yF₄，其中0.018≤x≤0.2, 0.001≤y≤0.005。