本發明專利技術公開一種具有上/下轉換發光特性的玻璃陶瓷及其制備方法。該玻璃陶瓷采用熔體急冷法結合后續熱處理制備，其組分和摩爾百分含量為：SiO2：35-60mol%；Al2O3：10-30mol%；YF3：5-25mol%；NaF：5-15mol%；Na2CO3：5-20mol%；TmF3：0.05-1.00mol%；YbF3：0-2mol%。該材料有望降低硅太陽電池的亞帶隙光子損失和熱化能損，從而提高電池的光電轉換效率。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及光學材料領域，尤其涉及一種具有上/下轉換發光特性的納米結構玻璃陶瓷及其制備技術。
技術介紹
單晶硅光伏器件中主要存在兩種能量損失機理(I)亞帶隙長波長光子(λ >1150納米)不能被電池吸收；(2)高能量光子(λ <550納米)大于帶隙的多余光子能量在電池內轉換為熱。由于上述兩種能量損失過程的影響，單P-N結晶硅太陽電池能量效率的上限經計算僅為 30% (肖克利-奎伊瑟極限)。2006年，Richards提出一種通過太陽電池耦合上/下轉換光頻轉換層的方案，即通過調制入射太陽光譜使之與硅電池帶隙匹配的方式減少光譜損失。對于上轉換過程，兩個或多個低能光子(1100-2000納米)以疊加的方式轉換 為一個可在光伏器件中產生電子-空穴對的高能光子；對于下轉換過程，由于一個高能光子被剪裁為兩個可被電池吸收的低能光子，點陣熱化效應將大大降低。基于細致平衡原理，Trupke等人計算了在非聚焦太陽光和聚焦太陽光時耦合上轉換層的晶硅電池的理論能量效率可提高至47. 6%和63. 2%，而耦合下轉換層的晶硅電池的效率可達到38. 6%，突破了肖克利-奎伊瑟極限。稀土離子由于具有獨特、豐富的能級結構成為調制太陽光譜的最佳選擇。近年來的研究主要集中在可用于光譜調制的Er3+和Ho3+離子的上轉換過程，以及Re3+/Yb3+(Re=Tb,Pr, Tm, Ho, Nd, Er)離子對的下轉換過程。但是,少有研究關注于單個離子敏化的、同時具備上/下轉換特性的材料，而這種材料即可作為上轉換層也可作為下轉換層用以提高太陽電池的能量效率。根據Dieke能級圖，我們發現Tm3+具有階梯式能級結構可實現多種上轉換過程；其1G4能級的能量恰好是Yb3+: 2F572能級能量的2倍，賦予了 Tm3+/Yb3+離子對下轉換發光的特性。圖1為Tm3+上轉換發光和Tm3+/Yb3+離子對下轉換發光機理的示意圖。在1220納米光子的激發下，Tm3+可通過能量傳遞上轉換過程(ETU)實現位于單晶硅電池帶隙之上的800納米光子的發射；在468納米光子的激發下，一個激發Tm3+離子的藍光光子可將能量同時傳遞給兩個Yb3+離子而產生2個近紅外光子發射。
技術實現思路
本專利技術提出一種Tm3+/Yb3+共摻的透明玻璃陶瓷及其制備技術，目的在于制備出結構穩定、同時具有上/下轉換發光特性、面向晶硅太陽電池應用的透明固體發光材料。本專利技術的透明玻璃陶瓷的組分和摩爾百分含量如下SiO2: 35-60 mol% ；A1203: 10-30 mol% ；YF3: 5-25 mol% ；NaF: 5-15 mol% ；Na2CO3: 5-20 mol% ；TmF3: 0. 05-1. 00 mol% ；YbF3: 0-2 mol% (上述各組分含量之和為 100mol%)。本專利技術的技術方案如下設計不同組分配比，將各種粉體原料稱量、混合、研磨后置于坩堝中，放入箱式電阻爐中加熱到1300 1500°C后保溫2 5小時使之熔融。而后，將熔液取出并快速倒入銅模中成形得到前驅玻璃；將獲得的前驅玻璃在550°C退火3小時以消除內應力。對上述玻璃在670°C進行2 6小時等溫熱處理，使之發生部分晶化，便得到透明玻璃陶瓷。制備過程中使用的坩堝可以是鉬金坩堝或剛玉坩堝。粉未X射線衍射分析表明，利用上述方法制備的透明玻璃陶瓷中晶化析出單一的正交相YF3納米晶；透射電子顯微鏡觀察表明，尺度為15-35納米的YF3納米晶均勻地鑲嵌于無機玻璃基體中；熒光光譜測試表明，在1220納米光子的激發下，可觀察到Tm3+: 3H4 —3H6躍遷(中心波長為808納米)的上轉換近紅外發射帶；在468納米藍光激發下，可觀察到Yb3+: 2F572 — 2F772躍遷(中心波長為980納米)的量子剪裁近紅外光發射帶。 本專利技術的透明玻璃陶瓷制備工藝簡單、成本低廉，無毒無污染，具有良好的力學性能和熱學穩定性，可望開發為在太陽電池領域具有廣闊應用前景的上/下轉換層發光材料。附圖說明圖1是Tm3+上轉換發光和Tm3+/Yb3+離子對下轉換發光機理的示意圖；圖2是實例I中玻璃陶瓷樣品的X射線衍射圖；圖3是實例I中玻璃陶瓷樣品的透射電子顯微鏡明場像；圖4是實例I中玻璃陶瓷樣品的上轉換發射譜；圖5是實例I中玻璃陶瓷樣品的下轉換發射譜。具體實施例方式實例1:將分析純的Si02、A1203、NaF、Naf03、YF3粉體和純度為99. 99%的TmF3與YbF3 粉體，按 35Si02 — 20A1203 — 18. 9YF3 — IONaF — 15 Na2CO3-O.1TmF3 — IYbF3 (摩爾t匕)的配比精確稱量后置于瑪瑙研缽中，研磨半小時以上使之均勻混合，而后置于剛玉坩堝中，于程控高溫箱式電阻爐中加熱到1450°C后保溫3小時使之熔融，然后，將熔液快速倒入銅模中冷卻成形，得到前驅玻璃；將前驅玻璃放入電阻爐中，在550°C退火2小時后隨爐冷卻以消除內應力。將退火后的玻璃在680°C保溫2小時，使之發生部分晶化，得到透明玻璃陶瓷。粉未X射線衍射圖(圖2)分析表明，無機玻璃基體中析出的晶相為單一的YF3正交相；透射電子顯微鏡觀察表明，尺度為20-30納米的YF3晶粒均勻分布于玻璃基體之中(如圖3所示)；樣品經過表面拋光，用FLS920熒光光譜儀進行室溫測量，在488納米激發條件下，在1220納米光子的激發下，可觀察到Tm3+: 3H4 — 3H6躍遷(中心波長為808納米)的上轉換近紅外發射帶(圖4);在468納米藍光激發下，可觀察到Yb3+: 2F572 - 2F7/2躍遷(中心波長為980納米)的量子剪裁近紅外光發射帶(圖5)。實例2 :將分析純的Si02、A1203、NaF、Na2C03、YF3粉體和純度為99. 99%的TmF3與YbF3 粉體，按 40Si02 — IOAl2O3 — 22. 95YF3 — 5NaF — 20 Na2CO3-O. 05TmF3 — 2YbF3 (摩爾t匕)的配比精確稱量后置于瑪瑙研缽中，研磨半小時以上使之均勻混合，而后置于剛玉坩堝中，于程控高溫箱式電阻爐中加熱到1500°C后保溫5小時使之熔融，然后，將熔液快速倒入銅模中冷卻成形，得到前驅玻璃；將前驅玻璃放入電阻爐中，在550°C退火2小時后隨爐冷卻以消除內應力。將退火后的玻璃在680°C保溫2小時，使之發生部分晶化，得到透明玻璃陶瓷。樣品經過表面拋光，用FLS920熒光光譜儀進行室溫測量，在488納米激發條件下，在1220納米光子的激發下，可觀察到Tm3+: 3H4- 3H6躍遷(中心波長為808納米)的上轉換近紅外發射帶(圖3);在468納米藍光激發下，可觀察到Yb3+: 2F572 - 2F7/2躍遷(中心波長為980納米)的量子剪裁近紅外光發射帶。實例3 :將分析純的Si02、A1203、NaF、Na2C03、YF3粉體和純度為99. 99%的TmF3與YbF3 粉體，按 50Si02 — 25A1203 — 5YF3 — 13. 5NaF — 5Na2C03-0. 5TmF3 — IYbF3 (摩爾比)的配比精確稱量后置于瑪瑙研缽中，研磨半小時以上使之均勻混合，而后置于剛玉坩堝中，于程控高溫箱式本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種具有上/下轉換發光特性的玻璃陶瓷，其組分和摩爾百分含量為SiO2:?35?60?mol%；Al2O3:?10?30?mol%；YF3:?5?25?mol%；NaF:?5?15?mol%；Na2CO3:?5?20?mol%；TmF3:?0.05?1.00?mol%；YbF3:?0?2?mol%。
【技術特征摘要】
【專利技術屬性】
技術研發人員：林航，陳大欽，余運龍，王元生，
申請(專利權)人：中國科學院福建物質結構研究所，
類型：發明
國別省市：
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