CN111423881B - 一种Cr3+掺杂的近红外发光材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种Cr3+掺杂的近红外发光材料及其制备方法,属于荧光材料技术领域。解决了现有技术中光转换荧光粉激发波段窄,近红外发射强度低以及成本高的问题。本发明的Cr3+掺杂的近红外发光材料,结构式为:CaAl6Ga6O19:xCr3+,yLn3+,式中,Ln3+为Yb、Nd或Er,0.001≤x≤0.015,0.005≤y≤0.08。该近红外发光材料实现了紫外到可见光区域宽带吸收(250nm‑650nm)和近红外发射的光谱转换,其发射主峰位于能被硅基太阳能电池高效利用的波段,其能量与硅的禁带宽度相匹配,应用于太阳能电池,可有效提高硅基太阳能电池的光电转换效率。

Description

一种Cr3+掺杂的近红外发光材料及其制备方法
技术领域
本发明属于荧光材料技术领域,具体涉及一种Cr3+掺杂的近红外发光材料及其制备方法。
背景技术
近年来,随着对能源需求的不断增加,太阳能作为绿色和可再生能源,越来越受到人们的重视。为了将太阳辐射的能量转换为有用的能量形式,出现了光伏电池,它们将太阳能直接转化为电能。在众多光伏电池中,晶体硅(c-Si) 太阳能电池占据了大部分商业市场。但是晶体硅太阳能电池的实验室和商业应用的转换效率值分别仅为约25%和22%,低于B.Richard预测的理论最大值30%,这是由于地球表面的太阳辐射(AM 1.5G)和硅太阳能电池的响应光谱之间的光谱失配导致的。硅基太阳能电池在900–1100nm光谱范围内具有较高的响应曲线,但在整个太阳能光谱中,该范围的总能量非常低。太阳光谱的最大能量集中在400–700nm的可见光区域,无法有效利用并释放出热量。发光下转换是解决该问题的有前途的方法,因为下转换可以将短波长的日光转换成太阳能电池更敏感的近红外(NIR)光。
镧系离子为下转换提供了最有效的选择,因为其丰富的能级结构允许大量 NIR发射。在镧系离子中,Yb3+、Nd3+和Er3+离子由于在978nm左右的NIR发射而特别值得注意,Yb3+离子由于2F5/22F7/2跃迁在978nm处发射,Nd3+离子由于4F3/24I9/24F3/24I11/2跃迁分别在898nm和1050nm处发射,Er3+离子由于4I11/24I15/2跃迁在991nm处发射,这刚好在硅半导体的能带边缘上方,在该处太阳能电池具有出色的光谱响应。此外,在1525nm附近的Er3+离子发射由于4I13/24I15/2跃迁与Ge的带隙(0.785eV)相匹配。但是,由于禁止的f-f跃迁,它们在近紫外和可见光区域的吸收非常弱且狭窄。为了解决这个问题,合适的敏化剂吸收紫外线/可见光,然后将其激发能转移到Yb3+、Nd3+和Er3+离子是一种有效的解决方法。但现有技术中,尚未发现合适的敏化剂去解决这一问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种Cr3+掺杂的近红外发光材料及其制备方法,用于解决现有技术中光转换荧光粉激发波段窄,近红外发射强度低以及成本高的问题。
本发明首先提供一种Cr3+掺杂的近红外发光材料,该发光材料的结构式为:CaAl6Ga6O19:xCr3+,yLn3+,式中,Ln3+为Yb、Nd或Er,0.001≤x≤0.015,0.005≤y≤0.08。
本发明还提供一种Cr3+掺杂的近红外发光材料的制备方法,包括如下步骤:
步骤一、按照化学式CaAl6Ga6O19:xCr3+,yLn3+的化学计量比,称取含Ca的化合物、含Al的化合物、含Ga的化合物、含Cr的化合物和含Ln的化合物,混合均匀,得到混合物;
步骤二、将步骤一得到的混合物焙烧,得到荧光粉;
步骤三、将步骤二得到的荧光粉研磨分散,得到Cr3+掺杂的近红外发光材料。
优选的是,所述步骤一的混合物中还含有助溶剂,所述助溶剂为碱金属氧化物、碱金属碳酸盐或氟化物。
优选的是,所述含Ca的化合物为含Ca的氧化物、含Ca的硝酸盐、含Ca 的氢氧化物、含Ca的卤化物或含Ca的碳酸盐。
优选的是,所述含Al的化合物为含Al的氧氧化物或含Al的含氧酸盐。
优选的是,所述含Ga的化合物为含Ga的氧化物或含Ga的含氧酸盐。
优选的是,所述含Cr的化合物为含Cr的氧化物、含Cr的硝酸盐、含Cr 的碳酸盐、含Cr的氯化物或含Cr的氢氧化物。
优选的是,所述含Ln的化合物为含Ln的氧化物、含Ln的卤化物、含Ln 的硝酸盐或含Ln的氢氧化物。
优选的是,所述步骤一的混合物中还添加有助溶剂,所述的助溶剂为碱金属氧化物、碱金属碳酸盐或氟化物。
优选的是,所述步骤一中,含Ca的化合物、含Al的化合物、含Ga的化合物、含Cr的化合物和含Ln的化合物研磨混合均匀。
优选的是,所述步骤二中,焙烧温度为1450~1550℃,焙烧时间为1~10h。
本发明的原理:Cr3+离子的发射光谱范围为600nm至850nm。大约700nm和750nm处的发射分别来自Cr3+离子的2E2g4A2g4T2g4A2g跃迁。Cr3+离子由于在4A24T1(te2),4A24T1(t2e)和4A24T2(t2e)的跃迁在近紫外和可见光区具有较宽的吸收带。本发明荧光粉以Cr3+作为敏化剂,以近红外发射的Yb3+、 Nd3+、Er3+为激活剂,实现了紫外到可见光区域宽带吸收和近红外发射的光谱转换。
与现有技术相比,本发明的有益效果为:
本发明首先提供一种Cr3+掺杂的近红外发光材料,该发光材料的结构式为:CaAl6Ga6O19:xCr3+,yLn3+,式中,Ln3+为Yb、Nd或Er,0.001≤x≤0.015, 0.005≤y≤0.08。荧光粉以Cr3+作为敏化剂,以近红外发射的Yb3+、Nd3+、Er3+为激活剂,实现了紫外到可见光区域宽带吸收(250nm-650nm)和近红外发射的光谱转换,应用于太阳能电池,能够提高太阳能电池对太阳光的吸收和利用效率。
本发明在Cr3+和稀土离子Ln3+掺杂浓度较低时,就具有很强的近红外发射,其发射主峰位于能被硅基太阳能电池高效利用的波段,其能量与硅的禁带宽度相匹配,应用于太阳能电池,可有效提高硅基太阳能电池的光电转换效率。
本发明还提供一种Cr3+掺杂的近红外发光材料的制备方法,和现有技术相对比,发光材料成本低;反应在空气条件下直接烧结而成,制备条件温和,方法简单可行,易于操作、易于量产、无污染、成本低。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案,下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例1得到的Cr3+掺杂的近红外发光材料的XRD图。
图2为本发明实施例1得到的Cr3+掺杂的近红外发光材料的发光光谱图。
图3为本发明实施例1得到的Cr3+掺杂的近红外发光材料的激发光谱图。
图4为本发明实施例4得到的Cr3+掺杂的近红外发光材料的发光光谱图。
图5为本发明实施例4得到的Cr3++掺杂的近红外发光材料的激发光谱图。
图6为本发明实施例9得到的Cr3+掺杂的近红外发光材料的发光光谱图。
图7为本发明实施例9得到的Cr3+掺杂的近红外发光材料的激发光谱图。
具体实施方式
为了进一步了解本发明,下面结合具体实施方式对本发明的优选实施方案进行描述,但是应当理解,这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点而不是对本发明专利要求的限制。
本发明的Cr3+掺杂的近红外发光材料,结构式为:CaAl6Ga6O19:xCr3+,yLn3+,式中,Ln3+为Yb、Nd或Er,0.001≤x≤0.015,0.005≤y≤0.08。
本发明还提供一种Cr3+掺杂的近红外发光材料的制备方法,包括如下步骤:
步骤一、按照化学式CaAl6Ga6O19:xCr3+,yLn3+的化学计量比,称取含Ca的化合物、含Al的化合物、含Ga的化合物、含Cr的化合物和含Ln的化合物,研磨混合均匀,得到混合物;
步骤二、将步骤一得到的混合物焙烧,得到荧光粉;
步骤三、将步骤二得到的荧光粉研磨分散,得到Cr3+掺杂的近红外发光材料。
上述技术方案,步骤一中:
含Ca的化合物优选为含Ca的氧化物、含Ca的硝酸盐、含Ca的氢氧化物、含Ca的卤化物或含Ca的碳酸盐;含Ca的氧化物优选为CaO;含Ca的硝酸盐优选为Ca(NO3)2;含Ca的氢氧化物优选为Ca(OH)2;含Ca的卤化物优选为CaCl2;含Ca的碳酸盐优选为CaCO3
含Al的化合物优选为含Al的氧化物或含Al的含氧酸盐;含Al的氧化物优选为Al2O3;含Al的含氧酸盐优选为Al(NO3)3或Al(OH)3
含Ga的化合物优选为含Ga的氧化物或含Ga的含氧酸盐;含Ga的氧化物优选为Ga2O3;含Ga的含氧酸盐优选为Ga(NO3)3或Ga(OH)3
含Cr的化合物优选为含Cr的氧化物、含Cr的硝酸盐、含Cr的碳酸盐、含Cr的氯化物或含Cr的氢氧化物;含Cr的氧化物优选为Cr2O3;含Cr的硝酸盐优选为Cr2(NO3)3;含Cr的碳酸盐优选为Cr2(CO3)3;含Cr的氯化物优选为 CrCl3;含Cr的氢氧化物优选为Cr(OH)3
含Ln的化合物优选为含Ln的氧化物、含Ln的卤化物、含Ln的硝酸盐或含Ln的氢氧化物;含Ln的氧化物优选为Yb2O3、Nd2O3或Er2O3;含Ln的卤化物优选为YbCl3、NdCl3或ErCl3;含Ln的硝酸盐优选为Yb(NO3)3、Nd(NO3)3或Er(NO3)3;含Ln的氢氧化物优选为Yb(OH)3、Nd(OH)3或Er(OH)3
上述技术方案,步骤一中,还可以添加助溶剂,助溶剂可以同含Ca的化合物、含Al的化合物、含Ga的化合物、含Cr的化合物和含Ln的化合物一起研磨混合均匀,也可以在含Ca的化合物、含Al的化合物、含Ga的化合物、含 Cr的化合物和含Ln的化合物混合均匀后,再添加混合均匀。助熔剂的添加量为含Ca的化合物、含Al的化合物、含Ga的化合物、含Cr的化合物和含Ln的化合物总重量的0~5%,助溶剂优选为碱金属氧化物、碱金属碳酸盐、氟化物、硼酸(H3BO3)中的一种或多种按任意比例的混合物。碱金属氧化物优选为Li2O、 Na2O或K2O;碱金属碳酸盐优选为Li2CO3、Na2CO3或K2CO3;氟化物优选为氟化钙、氟化铝、ScF3、YF3、LaF3或LuF3
上述技术方案,步骤二中,焙烧是直接将混合物在空气中焙烧,焙烧温度优选为1450~1550℃,更优选为1500℃,焙烧时间优选为1~10h,更优选为4h。
下面结合实施例对本发明做进一步详细的描述。
实施例1
选取碳酸钙、氧化铝、氧化镓、氧化铬、氧化镱作起始原料,按各元素摩尔配比Ca:Al:Ga:Cr:Yb=1:6:6:0.001:0.005,对应x=0.001,y=0.005,分别称取五种原料。进行充分研磨混合,放入氧化铝坩埚内,放入高温炉,在1450℃条件空气中焙烧3h,冷却至室温时取出,研磨分散后,得到一种Cr3+掺杂的近红外发光材料,其组成为CaAl6Ga6O19:0.001Cr3+,0.005Yb3+
图1为本发明实施例1得到的Cr3+掺杂的近红外发光材料的XRD图,从图中可以看出,谱图与CaAl6Fe6O19相一致,证明成功得到了CaAl6Ga6O19。图2 为本发明实施例1得到的Cr3+掺杂的近红外发光材料的发光光谱图,从图2可以看出,该近红外发光材料在466nm蓝光激发条件下的光致发光发射,发射波长为在950nm–1150nm的近红外发光。图3为本发明实施例1得到的Cr3+掺杂的近红外发光材料的激发光谱图,从图3可以看出,该近红外发光材料的发射峰范围在250nm-700nm。
实施例2
选取碳酸钙、氧化铝、氧化镓、氧化铬、氧化镱作起始原料,按各元素摩尔配比Ca:Al:Ga:Cr:Yb=1:6:6:0.003:0.02,对应x=0.003,y=0.02,分别称取四种原料。进行充分研磨混合,放入氧化铝坩埚内,放入高温炉,在1450℃条件空气中焙烧10h,冷却至室温时取出,研磨分散后,得到一种Cr3+掺杂的近红外发光材料,其组成为CaAl6Ga6O19:0.003Cr3+,0.02Yb3+。该近红外发光材料的荧光光谱性质同实施例1中类似。
实施例3
选取碳酸钙、氧化铝、氧化镓、氧化铬、氧化镱作起始原料,按各元素摩尔配比Ca:Al:Ga:Cr:Yb=1:6:6:0.01:0.03,对应x=0.01,y=0.03,分别称取四种原料。进行充分研磨混合,放入氧化铝坩埚内,放入高温炉,在1450℃条件空气中焙烧1h,冷却至室温时取出,研磨分散后,得到一种Cr3+掺杂的近红外发光材料,其组成为CaAl6Ga6O19:0.01Cr3+,0.03Yb3 +。该近红外发光材料的荧光光谱性质同实施例1中类似。
实施例4
选取碳酸钙、氧化铝、氧化镓、氧化铬、氧化钕作起始原料,按各元素摩尔配比Ca:Al:Ga:Cr:Nd=1:6:6:0.015:0.03,对应x=0.015,y=0.03,分别称取五种原料。进行充分研磨混合,放入氧化铝坩埚内,放入高温炉,在1550℃条件空气中焙烧1h,冷却至室温时取出,研磨分散后,得到一种Cr3+掺杂的近红外发光材料,其组成为CaAl6Ga6O19:0.015Cr3+,0.03Nd3+
图4为本发明实施例4得到的Cr3+掺杂的近红外发光材料的发光光谱图,从图4可以看出,该近红外发光材料在466nm蓝光激发条件下的光致发光发射,发射波长为在850nm–1150nm的近红外发光。图5为本发明实施例4得到的 Cr3+掺杂的近红外发光材料的激发光谱图,从图5可以看出,该近红外发光材料发射峰范围在250nm-800nm。
实施例5
选取碳酸钙、氧化铝、氧化镓、氧化铬、氧化钕作起始原料,按各元素摩尔配比Ca:Al:Ga:Cr:Nd=1:6:6:0.005:0.025,对应x=0.005,y=0.025,分别称取五种原料。进行充分研磨混合,放入氧化铝坩埚内,放入高温炉,在1550℃条件空气中焙烧1h,冷却至室温时取出,研磨分散后,得到一种Cr3+掺杂的近红外发光材料,其组成为CaAl6Ga6O19:0.005Cr3+,0.025Nd3+。该近红外发光材料的荧光光谱性质同实施例4中类似。
实施例6
选取碳酸钙、氧化铝、氧化镓、氧化铬、氧化钕作起始原料,按各元素摩尔配比Ca:Al:Ga:Cr:Nd=1:6:6:0.008:0.055,对应x=0.008,y=0.055,分别称取五种原料。进行充分研磨混合,放入氧化铝坩埚内,放入高温炉,在1550℃条件空气中焙烧3h,冷却至室温时取出,研磨分散后,得到一种Cr3+掺杂的近红外发光材料,其组成为CaAl6Ga6O19:0.008Cr3+,0.055Nd3+。该近红外发光材料的荧光光谱性质同实施例4中类似。
实施例7
选取碳酸钙、氧化铝、氧化镓、氧化铬、氧化钕作起始原料,按各元素摩尔配比Ca:Al:Ga:Cr:Nd=1:6:6:0.006:0.075,对应x=0.006,y=0.075,分别称取五种原料。进行充分研磨混合,放入氧化铝坩埚内,放入高温炉,在1520℃条件空气中焙烧5h,冷却至室温时取出,研磨分散后,得到一种Cr3+掺杂的近红外发光材料,其组成为CaAl6Ga6O19:0.006Cr3+,0.075Nd3+。该近红外发光材料的荧光光谱性质同实施例4中类似。
实施例8
选取碳酸钙、氧化铝、氧化镓、氧化铬、氧化铒作起始原料,按各元素摩尔配比Ca:Al:Ga:Cr:Er=1:6:6:0.003:0.005,对应x=0.003,y=0.005,分别称取五种原料。进行充分研磨混合,放入氧化铝坩埚内,放入高温炉,在1450℃条件空气中焙烧10h,冷却至室温时取出,研磨分散后,得到一种Cr3+掺杂的近红外发光材料,其组成为CaAl6Ga6O19:0.003Cr3+,0.005Er3+
图6为本发明实施例4得到的Cr3+掺杂的近红外发光材料的发光光谱图,从图6可以看出,该近红外发光材料在466nm蓝光激发条件下的光致发光发射,发射波长为在850nm–1650nm的近红外发光。图7为本发明实施例4得到的 Cr3+掺杂的近红外发光材料的激发光谱图,从图6可以看出,该近红外发光材料发射峰范围在250nm-700nm。
实施例9
选取碳酸钙、氧化铝、氧化镓、氧化铬、氧化铒作起始原料,按各元素摩尔配比Ca:Al:Ga:Cr:Er=1:6:6:0.006:0.025,对应x=0.006,y=0.025,分别称取五种原料。进行充分研磨混合,放入氧化铝坩埚内,放入高温炉,在1420℃条件空气中焙烧5h,冷却至室温时取出,研磨分散后,得到一种Cr3+掺杂的近红外发光材料,其组成为CaAl6Ga6O19:0.006Cr3+,0.025Er3+。该近红外发光材料的荧光光谱性质同实施例9中类似。
实施例10
选取碳酸钙、氧化铝、氧化镓、氧化铬、氧化铒作起始原料,按各元素摩尔配比Ca:Al:Ga:Cr:Er=1:6:6:0.01:0.06,对应x=0.01,y=0.06,分别称取五种原料。进行充分研磨混合,放入氧化铝坩埚内,放入高温炉,在1520℃条件空气中焙烧5h,冷却至室温时取出,研磨分散后,得到一种Cr3+掺杂的近红外发光材料,其组成为CaAl6Ga6O19:0.01Cr3+,0.06Er3 +。该近红外发光材料的荧光光谱性质同实施例9中类似。
实施例11
选取碳酸钙、氧化铝、氧化镓、氧化铬、氧化铒作起始原料,按各元素摩尔配比Ca:Al:Ga:Cr:Er=1:6:6:0.008:0.04,对应x=0.008,y=0.04,分别称取五种原料。进行充分研磨混合,放入氧化铝坩埚内,放入高温炉,在1520℃条件空气中焙烧5h,冷却至室温时取出,研磨分散后,得到一种Cr3+掺杂的近红外发光材料,其组成为CaAl6Ga6O19:0.008Cr3+,0.04Er3+。该近红外发光材料的荧光光谱性质同实施例9中类似。
实施例12
选取碳酸钙、氧化铝、氧化镓、氧化铬、氧化铒作起始原料,按各元素摩尔配比Ca:Al:Ga:Cr:Er=1:6:6:0.015:0.065,对应x=0.015,y=0.065,分别称取五种原料。进行充分研磨混合,放入氧化铝坩埚内,放入高温炉,在1520℃条件空气中焙烧5h,冷却至室温时取出,研磨分散后,得到一种Cr3+掺杂的近红外发光材料,其组成为CaAl6Ga6O19:0.015Cr3+,0.065Er3+。该近红外发光材料的荧光光谱性质同实施例9中类似。
实施例13
选取碳酸钙、氧化铝、氧化镓、氧化铬、氧化铒作起始原料,按各元素摩尔配比Ca:Al:Ga:Cr:Er=1:6:6:0.001:0.075,对应x=0.001,y=0.075,分别称取五种原料。再加入总量1%助溶剂硼酸,进行充分研磨混合,放入氧化铝坩埚内,放入高温炉,在1450℃条件空气中焙烧4h,冷却至室温时取出,研磨分散后,得到一种Cr3+掺杂的近红外发光材料,其组成为CaAl6Ga6O19:0.001Cr3+,0.075Er3+。该近红外发光材料的荧光光谱性质同实施例9中类似。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以对本发明进行若干改进和修饰,这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种Cr3+掺杂的近红外发光材料,其特征在于,该发光材料的结构式为:CaAl6Ga6O19:xCr3+,yLn3+,式中,Ln3+为Yb、Nd或Er,0.001≤x≤0.015,0.005≤y≤0.08。
2.权利要求1所述的Cr3+掺杂的近红外发光材料的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤一、按照化学式CaAl6Ga6O19:xCr3+,yLn3+的化学计量比,称取含Ca的化合物、含Al的化合物、含Ga的化合物、含Cr的化合物和含Ln的化合物,混合均匀,得到混合物;
步骤二、将步骤一得到的混合物焙烧,得到荧光粉;
步骤三、将步骤二得到的荧光粉研磨分散,得到Cr3+掺杂的近红外发光材料。
3.根据权利要求2所述的Cr3+掺杂的近红外发光材料的制备方法,其特征在于,所述步骤一的混合物中还含有助溶剂,所述助溶剂为碱金属氧化物、碱金属碳酸盐或氟化物。
4.根据权利要求2或3所述的Cr3+掺杂的近红外发光材料的制备方法,其特征在于,所述含Ca的化合物为含Ca的氧化物、含Ca的硝酸盐、含Ca的氢氧化物、含Ca的卤化物或含Ca的碳酸盐。
5.根据权利要求2或3所述的Cr3+掺杂的近红外发光材料的制备方法,其特征在于,所述含Al的化合物为含Al的氧化物或含Al的含氧酸盐。
6.根据权利要求2或3所述的Cr3+掺杂的近红外发光材料的制备方法,其特征在于,所述含Ga的化合物为含Ga的氧化物或含Ga的含氧酸盐。
7.根据权利要求2或3所述的Cr3+掺杂的近红外发光材料的制备方法,其特征在于,所述含Cr的化合物为含Cr的氧化物、含Cr的硝酸盐、含Cr的碳酸盐、含Cr的氯化物或含Cr的氢氧化物。
8.根据权利要求2或3所述的Cr3+掺杂的近红外发光材料的制备方法,其特征在于,所述含Ln的化合物为含Ln的氧化物、含Ln的卤化物、含Ln的硝酸盐或含Ln的氢氧化物。
9.根据权利要求2或3所述的Cr3+掺杂的近红外发光材料的制备方法,其特征在于,所述步骤一中,含Ca的化合物、含Al的化合物、含Ga的化合物、含Cr的化合物和含Ln的化合物研磨混合均匀。
10.根据权利要求2或3所述的Cr3+掺杂的近红外发光材料的制备方法,其特征在于,所述步骤二中,焙烧温度为1450~1550℃,焙烧时间为1~10h。
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