CN108083634A - 一种用于可见光波长转换的高透光玻璃 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于可见光波长转换的高透光玻璃，具体涉及掺有稀土元素的光学玻璃及其制备方法。将SiO2、CaO、Na2O及稀土元素Re氧化物或氟化物(Re＝Dy3+、Er3+、Eu3+、Gd3+、Pr3+、Sm3+、Tb3+、Tm3+等)按一定比例混合后高温熔制，在特定模具中成型后退火而成，制备出具有将波长较短光转换为波长较长可见光功能的光学玻璃，用于太阳电池封装、植物培育、通讯、医疗等领域。
Description
技术领域
本发明涉及实现光转换的高透光玻璃，具体涉及掺有稀土元素具有光波长转换功能的玻璃及其制备方法，属于光功能玻璃技术领域。
背景技术
无机发光材料是一类重要的功能材料。近年来，由于能源危机、自然资源短缺、环境污染等问题的加剧，以及纳米时代的来临，发光材料的研究也从日常节能型照明固态材料的开发转向能源、生物等各种相关领域的应用研究。
在植物照明方面，植物进行光合作用主要吸收的是450nm的深蓝光和660nm的深红光，可以人工控制来实现高效的植物补光照明，促进植物光合作用；如果植物仅仅被660nm的深红光所照射，植物会感觉是在太阳光的直接照射下，从而正常地生长。而如果植物主要被730nm的远红光所照射时，植物会感觉像是被另外一颗更高的植物遮挡住了太阳的直射光，因而该植物就会更加努力的生长以突破遮挡，也就是有助于植物长得更高。
在能源技术上，如今光伏市场上的主流产品还是硅电池，而硅电池在近红外光部分有很好的响应度，在400nm以及更短波长范围内光谱响应度很差，通过光转化可实现短波长光转为长波长光，有利于硅电池对短波长光的利用，提高电池效率。除了实现光的转换，还必须保证组件有很高的透光率。硅探测器常用于各种通讯领域，硅探测器对于蓝光部分的响应较弱，而对于波长较长的红光响应则最强，所以利用波长转换的作用将蓝光转为红光而使得蓝光探测变的很有效果。此外，光健康科技也在掀起，人类在各种不同波长环境下生活，不同波长的光源会对人类产生不同的生理和心理的影响。不同波长的光源影响了的生物钟、新陈代谢、内分泌、血液循环等，各种特定波长的光，可用于医疗和光健康领域。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种用于可见光波长转换的高透光玻璃，主要是将波长较短的紫光或蓝光转换为波长较长的绿光或红橙色光，从而能够用于植物培育、能源、通讯、医疗等领域的特定用途。
本发明解决其技术问题的所采用的技术方案是：
一种用于可见光波长转换的高透光玻璃，其主要成分为以下组分按摩尔比：SiO2：CaO：Na2O：稀土元素Re＝5-7：0.9-1.1：0.9-1.1：0.01-1，其中，Re＝Dy3+、Er3+、Eu3+、Gd3+、Pr3 +、Sm3+、Tb3+、Tm3+等中的至少一种的氧化物或氟化物；所述的玻璃中Fe2O3含量低于0.005％。
所述的高透光，为透光率大于等于90％。
作为优选，本发明一种用于可见光波长转换的高透光玻璃，其主要成分为以下组分按摩尔比：SiO2：CaO：Na2O：稀土元素Re＝6：1：1：0.01-1，其中，Re＝Dy3+、Er3+、Eu3+、Gd3+、Pr3+、Sm3+、Tb3+、Tm3+等中的至少一种的氧化物或氟化物；所述的玻璃中Fe2O3含量低于0.005％。
进一步优选，本发明一种用于可见光波长转换的高透光玻璃，其主要成分为以下组分按摩尔比：SiO2：CaO：Na2O：稀土元素Re＝6：1：1：0.05，其中，Re＝Dy3+、Er3+、Eu3+、Gd3+、Pr3+、Sm3+、Tb3+、Tm3+等中的至少一种的氧化物或氟化物；所述的玻璃中Fe2O3含量低于0.005％。
一种用于可见光波长转换的高透光玻璃的制备方法，包括以下步骤：
1)按摩尔比例称取各原料：
2)将步骤1)中称量好的原料经球磨仪研磨至颗粒度20目以下，混匀后倒入坩埚中，在1300～1600℃温度下熔制2～10小时；
3)将步骤2)熔制的液态玻璃倒入预热200-500℃，长和宽40mm深3mm的模具上冷却成型，后放入200-400℃马弗炉中退火2-4小时，得到高透光玻璃。
在一实施例中，所述的模具长和宽各40mm，深3mm。
前述的一种用于可见光波长转换的高透光玻璃的应用，其用于将波长较短的紫光或蓝光转换为波长较长的绿光或红橙色光。
前述的一种用于可见光波长转换的高透光玻璃的应用，其用于硅电池。
前述的一种用于可见光波长转换的高透光玻璃的应用，其用于可见光无线通信LiFi技术。
在本发明中，稀土元素如果含量过低，则光转换效果较差；如果含量过高，则会发生荧光猝灭现象；玻璃中Fe2O3含量需要低于0.005％的原因为：Fe3+会影响稀土离子的发光效率，影响光转化效果，所以要尽可能降低其含量。
综上所述，本发明的制备工艺流程少、无污染、制备成本低、与常规工艺兼容，掺入特定稀土元素后使得玻璃具有可见光波长转换的功能，可用于室内植物培育、能源、通讯、医疗等领域的特定用途。
之前也有关于可见光无线通信，即LiFi(LightFidelity)技术的研究报道，LiFi是一种基于光(不是电波)的新兴无线通讯技术，结合了光的照明功能和数据通讯功能，在不影响LED照明的同时，将信号调制在LED光源上，通过快速开关产生人眼无法感知的高频闪烁信号来实现传送数据。将掺有不同稀土的高透光玻璃应用于此可以实现不同颜色光的发射和信号传输。比如应用于航海的灯塔，不仅可以实现不同光线的照明，还可以借此传送数据，实现信号沟通。以及在医疗方面也有应用前景，荧光诊断敏感性高，特异性强，操作简单，是无创性诊断早期癌及其癌前病变的辅助性方法，尤其对于肉眼难以发现的微小癌变和不典型增生的早期诊断具有重大意义。
本发明可以制得掺Er3+的高透光玻璃，直接用480nm光激发，产生723nm的光，无需像传统LED灯一样要先照射荧光粉再透过玻璃，提高了发光效率。
本发明的优点如下：
1、制备工艺流程少、无污染、制备成本低、与常规玻璃制备工艺兼容。
2、本发明制得的光转换玻璃可应用于硅太阳能电池，通过将响应度低的近紫外光转化为响应度高的红光，实现太阳光谱的更高效利用，从而提高太阳能电池转化效率。
3、本发明制得的光转换玻璃热稳定性好，能够在600度的条件下不软化，适用于条件较苛刻的环境。
4、本发明制得的光转换玻璃透光率高，能够达到90％以上，且光转换效率高，能够满足一定的信息载量，因此，其能够用于LiFi技术。
5、本发明制得的光转换玻璃可以实现特定波长的转化，可应用于植物照明，如掺杂Er3+在480nm光激发下可发射723nm的光，有助于植物生长。
6、本发明制得的光转换玻璃可以实现特定波长的转化，可用于如今兴起的光疗技术。
附图说明
图1为太阳光的光谱分布图
图2为硅等太阳电池和探测器件的光谱响应曲线
图3为本发明实施例2的Na2O·CaO·6 SiO2玻璃掺Dy3+的激发及发射光谱，在348nm光激发下可发射483nm和574nm的光。
图4为本发明实施例3的Na2O·CaO·6 SiO2玻璃掺Er3+的激发及发射光谱，在480nm光激发下可发射595nm和723nm的光。
图5为本发明实施例1的Na2O·CaO·6 SiO2玻璃掺Eu3+的激发及发射光谱，在362nm，381nm，393nm，464nm光激发下可发射612nm的光，在393nm时有最强峰。
图6、7为本发明实施例4的Na2O·CaO·6 SiO2玻璃掺Gd3+的激发及发射光谱，在253nm和275nm光激发下可发射313nm的光；在460nm光激发下可发射575nm和694nm的光。
图8、9、10为本发明实施例5的Na2O·CaO·6 SiO2玻璃掺Pr3+的激发及发射光谱，在444nm光激发下可发射485nm的光；在497nm光激发下可发射612nm和749nm的光；在590nm光激发下可发射890nm的光。
图11为本发明实施例6的Na2O·CaO·6 SiO2玻璃掺Sm3+的激发及发射光谱，在344nm，363nm，375nm，402nm光激发下可发射563nm和601nm的光。在402nm时有最强峰。
图12为本发明实施例7的Na2O·CaO·6 SiO2玻璃掺Tb3+的激发及发射光谱，在377nm光激发下可发射542nm和549nm的光。
图13为本发明实施例8的Na2O·CaO·6 SiO2玻璃掺Tm3+的激发及发射光谱，在356nm激发下可发射451nm和458nm的光。
图14为本发明实施例9的Na2O·CaO·6 SiO2玻璃掺不同浓度Eu3+的透光率测量，因为362nm，381nm，393nm，464nm的光都是Eu3+的激发峰，所以都有吸收，表现出较低的透过率，在其他波段都有很高的透过率，且稀土掺的浓度越高，转化的光也就越多。
具体实施方式
通过实施例对本发明作进一步的说明。
实施例1：
以下给出一种用于可见光波长转换的高透光玻璃的具体实施例，这里的高透光玻璃掺的稀土为Eu3+，可将近紫外光转换为红光，高透玻璃作为太阳能电池的封装玻璃，可提高太阳电池的发电量。
可实现紫光转红光的高透光玻璃的制备方法，包括如下：
(1)以二氧化硅(SiO2)、碳酸钙(CaCO3)、碳酸钠(Na2CO3)、氧化铕(Eu2O3)为原料，按摩尔比为6:1:1:0.05的比例称量好置于研钵中研磨20目后混匀。
(2)将混匀的原料在1400℃马弗炉中熔制6h。
(3)预先制备好铁制模具预热至400℃，将熔制的玻璃液倒入模具中淬火成型，而后置于500℃马弗炉中退火2h。模具上长和宽各40mm，深3mm。
将制好的能将近紫外光转为红光的高透光玻璃盖在晶硅标准电池上，相比较市面上白玻璃可使得电池绝对效率提升0.9％，测试结果如表1所示。
表1.不同条件光伏玻璃对晶硅标准电池光电性能的影响
图5为本实施例的Na2O·CaO·6SiO2玻璃掺Eu3+的激发及发射光谱，在362nm，381nm，393nm，464nm光激发下可发射612nm的光，在393nm时有最强峰。
实施例2
和实施例1基本相同，所不同的是，掺杂的为Dy2O3,
图3为本实施例Na2O·CaO·6 SiO2玻璃掺Dy3+的激发及发射光谱，在348nm光激发下可发射483nm和574nm的光。
实施例3
和实施例1基本相同，所不同的是，掺杂的为Er2O3，
图4为本实施例的Na2O·CaO·6 SiO2玻璃掺Er3+的激发及发射光谱，在480nm光激发下可发射595nm和723nm的光。
实施例4
和实施例1基本相同，所不同的是，掺杂的为Gd2O3，
图6、7为本实施例的Na2O·CaO·6 SiO2玻璃掺Gd3+的激发及发射光谱，在253nm和275nm光激发下可发射313nm的光；在460nm光激发下可发射575nm和694nm的光。
实施例5
和实施例1基本相同，所不同的是，掺杂的为Pr6O11
图8、9、10为本实施例的Na2O·CaO·6 SiO2玻璃掺Pr3+的激发及发射光谱，在444nm光激发下可发射485nm的光；在497nm光激发下可发射612nm和749nm的光；在590nm光激发下可发射890nm的光。
实施例6
和实施例1基本相同，所不同的是，掺杂的为Sm2O3
图11为本实施例的Na2O·CaO·6 SiO2玻璃掺Sm3+的激发及发射光谱，在344nm，363nm，375nm，402nm光激发下可发射563nm和601nm的光。在402nm时有最强峰。
实施例7
和实施例1基本相同，所不同的是，掺杂的为Tb4O7
图12为本实施例的Na2O·CaO·6 SiO2玻璃掺Tb3+的激发及发射光谱，在377nm光激发下可发射542nm和549nm的光。
实施例8
和实施例1基本相同，所不同的是，掺杂的为Tm2O3
图13为本实施例的Na2O·CaO·6 SiO2玻璃掺Tm3+的激发及发射光谱，在356nm激发下可发射451nm和458nm的光。
实施例9
和实施例1基本相同，Na2O·CaO·6 SiO2玻璃掺不同浓度Eu3+(0.1％、1％、2％、5％)的透光率测量，因为362nm，381nm，393nm，464nm的光都是Eu3+的激发峰，所以都有吸收，表现出较低的透过率，在其他波段都有很高的透过率，且稀土掺的浓度越高，转化的光也就越多。结果见图14。
Claims (8)
1.一种用于可见光波长转换的高透光玻璃，其特征在于：主要成分为以下组分按摩尔比：SiO2：CaO：Na2O：稀土元素Re＝5-7：0.9-1.1：0.9-1.1：0.01-1，其中，Re＝Dy3+、Er3+、Eu3+、Gd3+、Pr3+、Sm3+、Tb3+、Tm3+中的至少一种的氧化物或氟化物；所述的玻璃中Fe2O3含量低于0.005％。
2.一种用于可见光波长转换的高透光玻璃，其特征在于：主要成分为以下组分按摩尔比：SiO2：CaO：Na2O：稀土元素Re＝6：1：1：0.01-1，其中，Re＝Dy3+、Er3+、Eu3+、Gd3+、Pr3+、Sm3+、Tb3+、Tm3+等中的至少一种的氧化物或氟化物；所述的玻璃中Fe2O3含量低于0.005％。
3.一种用于可见光波长转换的高透光玻璃，其特征在于：主要成分为以下组分按摩尔比：SiO2：CaO：Na2O：稀土元素Re＝6：1：1：0.05，其中，Re＝Dy3+、Er3+、Eu3+、Gd3+、Pr3+、Sm3+、Tb3 +、Tm3+等中的至少一种的氧化物或氟化物；所述的玻璃中Fe2O3含量低于0.005％。
4.如权利要求1至3任一项所述的一种用于可见光波长转换的高透光玻璃的制备方法，包括以下步骤：
1)按摩尔比例称取各原料：
2)将步骤1)中称量好的原料经球磨仪研磨至颗粒度20目以下，混匀后倒入坩埚中，在1300～1600℃温度下熔制2～10小时；
3)将步骤2)熔制的液态玻璃倒入预热200-500℃，长和宽40mm深3mm的模具上冷却成型，后放入200-400℃马弗炉中退火2-4小时，得到高透光玻璃。
5.如权利要求4所述的一种用于可见光波长转换的高透光玻璃的制备方法，其特征在于，所述的模具长和宽各40mm，深3mm。
6.如权利要求1至3任一项所述的一种用于可见光波长转换的高透光玻璃的应用，其用于将波长较短的紫光或蓝光转换为波长较长的绿光或红橙色光。
7.如权利要求1至3任一项所述的一种用于可见光波长转换的高透光玻璃的应用，其用于硅电池。
8.如权利要求1至3任一项所述的一种用于可见光波长转换的高透光玻璃的应用，其用于LiFi技术。
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