稀土摻雜透明微晶玻璃體系中的量子剪裁

《稀土摻雜透明微晶玻璃體系中的量子剪裁》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在應(yīng)用文檔-天天文庫。

1、一、研究背景與研究?jī)?nèi)容簡(jiǎn)介1.1研究背景21世紀(jì)，人類將面臨實(shí)現(xiàn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重大挑戰(zhàn)，面對(duì)當(dāng)前礦物燃料的趨于枯竭和大量耗用所誘發(fā)的溫室效應(yīng)、酸雨和農(nóng)業(yè)減產(chǎn)等負(fù)面問題，迫切需要在世界范圍內(nèi)開發(fā)和利用新能源和綠色可再生能源。太陽每秒鐘放射的能量大約是1.6×1023千瓦，其中到達(dá)地球的能量高達(dá)8×1013千瓦，一年內(nèi)到達(dá)地球表面的太陽能總量折合成標(biāo)準(zhǔn)煤共約1.892×1013千億噸，是目前世界主要能源探明儲(chǔ)量的一萬倍。鑒于此，太陽能必將在世界能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換中擔(dān)當(dāng)重任，成為理想的替代能源。目前，世界各國政府均大力扶持太陽能光伏

2、發(fā)電技術(shù)的研究與開發(fā)，并積極推進(jìn)其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。當(dāng)前，市場(chǎng)上主流的太陽能電池產(chǎn)品是晶體硅太陽能電池，其市場(chǎng)占有率超過90%。長(zhǎng)期以來，人們致力于改善材料的處理工藝來提高硅電池的光電轉(zhuǎn)換效率，通過這種方法，硅電池的最高光電轉(zhuǎn)換率達(dá)已達(dá)到24.7%，但僅靠材料處理工藝的改進(jìn)已經(jīng)很難進(jìn)一步提其能量轉(zhuǎn)換效率。由于硅半導(dǎo)體具有固定的帶隙(1.12eV)，因而無法將自然的太陽光能量完全吸收轉(zhuǎn)換，只有波長(zhǎng)小于1100nm的太陽光才能夠在硅晶體中實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，而波長(zhǎng)大于1100nm的紅外光則無法被利用；另一方面，硅晶體對(duì)太陽光有效響應(yīng)頻譜的下限

3、是400nm，波長(zhǎng)小于400nm的紫外光也無法被硅太陽能電池所利用。同時(shí)，在可被硅晶體有效利用的太陽光波譜范圍內(nèi)，能量大于的1.12eV的一個(gè)光子也只能產(chǎn)生一個(gè)電子-空穴對(duì)，剩余的能量將會(huì)被轉(zhuǎn)換為熱量而散失，這將損失約30%的太陽光能量。因此，晶體硅對(duì)太陽光譜的有限利用已經(jīng)成為制約硅太陽能電池能量轉(zhuǎn)換效率的一個(gè)重要因素。太陽電池專家B.S.Richards曾指出，數(shù)十年來提高硅太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率的研究思路主要是致力于硅材料與器件的性能優(yōu)化，而未來光電轉(zhuǎn)換效率的進(jìn)一步提高將主要依靠對(duì)輸入的太陽光譜進(jìn)行調(diào)制。對(duì)太陽光譜的調(diào)制主

4、要有兩條技術(shù)路線：1、吸收一個(gè)高能光子發(fā)射兩個(gè)低能光子的下轉(zhuǎn)換發(fā)光；2、吸收低能紅外光子發(fā)射高能可見光子的上轉(zhuǎn)換發(fā)光。在下轉(zhuǎn)換發(fā)光方面，盡管其在照明領(lǐng)域的應(yīng)用已被廣泛深入的研究了數(shù)十年，但將其應(yīng)用到對(duì)太陽光譜進(jìn)行調(diào)制從而提高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率卻是一個(gè)嶄新的課題。T.Trupke和P.Vergeer等在理論上針對(duì)利用下轉(zhuǎn)換發(fā)光提高硅太陽能電池能量轉(zhuǎn)換效率的設(shè)想開展了相關(guān)的研究。由于下轉(zhuǎn)換發(fā)光可以將吸收的一個(gè)高能光子轉(zhuǎn)換成兩個(gè)可被利用的低能光子，在理論上量子效率可達(dá)到200%，因此，基于下轉(zhuǎn)換發(fā)光的思路來調(diào)制太陽光譜是一種極

5、具潛力和前景的提高硅太陽能電池能量轉(zhuǎn)換效率的新方法。1.2工作主要內(nèi)容量子剪裁指材料吸收一個(gè)高能光子，在下轉(zhuǎn)換過程中發(fā)出兩個(gè)或多個(gè)低能光子的過程。剪裁的過程可以建立在同一稀土離子的不同能級(jí)間的能量傳遞、不同稀土離子能級(jí)間的能量傳遞、以及基質(zhì)對(duì)稀土離子的能量傳遞的基礎(chǔ)之上?；谙⊥岭x子能級(jí)間能量傳遞的量子剪裁可以用圖1.2-1示意，其中I，II表示兩種不同的離子。圖(a)代表單一離子的光子分步發(fā)射或串級(jí)發(fā)射，即僅通過一種稀土離子的不同能級(jí)間的能量傳遞產(chǎn)生量子剪裁。量子剪裁的另一種方式是通過共摻稀土離子間的能量傳遞來實(shí)現(xiàn)，如圖(b

6、，c，d)所示，也稱為逐次能量傳遞。圖1-5稀土離子量子剪裁方式能級(jí)示意圖在利用量子剪裁實(shí)現(xiàn)光譜調(diào)制方面，我們的主要?jiǎng)?chuàng)新性研究工作是在透明的氟氧化物微晶玻璃體系中，通過摻雜稀土離子的有效吸收和高效協(xié)同能量傳遞，實(shí)現(xiàn)了可見到近紅外的量子剪裁。我們選取氟氧化物微晶玻璃作為我們的基質(zhì)玻璃，其原因在于經(jīng)過熱處理后，析出的氟化物納米晶相均勻地分布于氧化物玻璃網(wǎng)絡(luò)，稀土離子則選擇性地富集于氟化物晶相，這使該類材料兼具了氧化物材料優(yōu)良機(jī)械性能和氟化物材料低聲子能量的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，由于析出的氟化物納米晶在尺度上遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于可見光波長(zhǎng)，且氟化物納米晶

7、在空間和粒度上呈均勻分布，所以這種氟氧化物微晶玻璃很容易獲得可見到近紅外光波段的高透過率。具體來講，我們分別在如下體系中實(shí)現(xiàn)了可見到紅外的量子剪裁：（1）在RE3+-Yb3+(RE=Tb,Tm,Pr)共摻的含CaF2納米晶相的氟氧化物透明玻璃體系中，利用XRD、HREM、穩(wěn)態(tài)和時(shí)間分辨熒光光譜等表征手段，系統(tǒng)深入的研究了RE3+離子對(duì)Yb3+離子的協(xié)同能量傳遞過程。同時(shí)，在同一微晶玻璃基質(zhì)體系中，系統(tǒng)的分析了不同稀土離子共摻體系（Tb3+-Yb3+、Tm3+-Yb3+、Pr3+-Yb3+）的能量傳遞效率的差異以及材料的發(fā)光性能

8、與離子摻雜濃度的關(guān)系。（2）在Tb3+-Yb3+共摻的含LaF3納米晶相的氟氧化物透明玻璃體系中，通過在確定的溫度下改變熱處理時(shí)間來研究LaF3析晶程度對(duì)Tb3+-Yb3+體系量子剪裁效率的影響，并確立了該體系的最佳熱處理時(shí)間。二、稀土摻雜透明微晶玻璃體系中的量子剪裁與光譜調(diào)