專利名稱：一種稀土/金屬離子摻雜下轉(zhuǎn)換發(fā)光增強(qiáng)材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于固體發(fā)光材料領(lǐng)域，具體涉及一種稀土 /金屬離子摻雜下轉(zhuǎn)換發(fā)光增強(qiáng)材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
目前我國能源供給主要還是依賴于化石燃料，但已知的石油、天然氣儲量大約還可供開采40-50年，原煤大約還可供開采200年?；剂系南拇M以及由于燃燒產(chǎn)生的嚴(yán)重的環(huán)境問題，使尋找清潔和可再生能源成為世界各國共同關(guān)心的問題。在可再生能源中，太陽能是迄今為止最大的可利用能源，它在I小時(shí)之內(nèi)可為地球提供的能量比人類在一整年內(nèi)消耗的能量還要多。因此，太陽能發(fā)電被譽(yù)為最理想的能源。但是目前太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率還處在很低的水平，晶體硅電池的禁帶寬度約是1.12eV相當(dāng)于llOOnm，因而無法將自然的太陽光能量完全吸收轉(zhuǎn)換，只有波長小于IlOOnm的太陽光才能夠在晶體硅太陽能電池中實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，而波長大于IlOOnm的紅外光則無法被利用，如何提高太陽能電池的效率，是人們研究的熱點(diǎn)問題。所以，研究人員提出了通過調(diào)整太陽能光譜，使可見光轉(zhuǎn)化為能被太陽能電池高效吸收的紅外光，作為提高太陽能電池效率的一個(gè)有效途徑。下轉(zhuǎn)換發(fā)光材料在光照射下可以將一個(gè)高能量光子分裂成兩個(gè)低能量光子，從而實(shí)現(xiàn)太陽能光譜的調(diào)整。近年來，研究人員對Tb3+-Yb3+, Tm3+-Yb3+, Pr3+-Yb3+等稀土離子對都進(jìn)行了研究，得到了較好的下轉(zhuǎn)換發(fā)光性能。Yb3+離子發(fā)射位于IOOOnm處與單晶硅的禁帶寬度非常匹配，所以可以與其它離子相配合達(dá)到調(diào)整光譜的目的。最近，人們又發(fā)現(xiàn)在下轉(zhuǎn)換發(fā)光材料中摻入金屬離子可以使發(fā)射范圍變寬并且發(fā)光強(qiáng)度變強(qiáng)。金屬離子有更敏感的化學(xué)性，比稀土離子的結(jié)構(gòu)變化更多，很適于應(yīng)用于下轉(zhuǎn)換發(fā)光材料中。所以，本發(fā)明的稀土 /金屬離子摻雜下轉(zhuǎn)換發(fā) 光增強(qiáng)材料在利用Yb3+離子發(fā)射的同時(shí)，通過加入金屬氧化物ZnO改進(jìn)了其在紫外-可見區(qū)的吸收，進(jìn)一步提高了 Yb3+離子在900 IlOOnm處的發(fā)光強(qiáng)度，是潛在的提高晶體硅太陽能電池效率的材料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種可應(yīng)用于晶體硅太陽能電池的稀土 /金屬離子摻雜下轉(zhuǎn)換發(fā)光增強(qiáng)材料及其制備方法，該方法制備的下轉(zhuǎn)換發(fā)光增強(qiáng)材料可將紫外光轉(zhuǎn)換為波長為900 IlOOnm的近紅外光，使近紅外區(qū)域發(fā)光進(jìn)一步增強(qiáng)。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案:本發(fā)明提供的稀土 /金屬離子摻雜下轉(zhuǎn)換發(fā)光增強(qiáng)材料，其化學(xué)組成表示式為:Y2O3:XBi3+, yYb3+，zZnO，其中 x 的摻雜量為 0.01 40mol%, y 的摻雜量為 0.01 50mol%, z的摻雜量為O 70mol%。組成原料為:Y203、Bi203、Yb203和ZnO，其中Bi2O3摻雜量為0.005 20mol%, Yb2O3 摻雜量為 0.005 25mol%, ZnO 摻雜量為 O 70mol%。上述稀土 /金屬離子摻雜下轉(zhuǎn)換發(fā)光增強(qiáng)材料的制備方法，包括如下步驟:按照化學(xué)計(jì)量比稱取原料Y203、Bi203、Yb203和ZnO，其中Bi2O3摻雜量為0.005 20mol%，Yb2O3摻雜量為0.005 25mol%，ZnO摻雜量為O 70mol%。將稱量好的原料放入球磨罐中，以無水乙醇為介質(zhì)置于行星球磨機(jī)中球磨I 72h。球磨后所得漿料烘干，然后在700 2000°C溫度下燒結(jié)I 24h后隨爐冷卻。燒結(jié)后塊體在研缽中研碎，過80目篩后得到所需的下轉(zhuǎn)換發(fā)光增強(qiáng)材料。本發(fā)明粉體材料能夠有效吸收300 370nm的紫外光，并有效的發(fā)射波長為900 IlOOnm的近紅外光，是一種適用于晶體硅太陽能電池應(yīng)用的新型下轉(zhuǎn)換發(fā)光增強(qiáng)復(fù)合粉體材料。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果:(I)本發(fā)明的稀土 /金屬離子摻雜下轉(zhuǎn)換發(fā)光增強(qiáng)材料具有強(qiáng)的近紅外光發(fā)射，特別是加入ZnO后可以使材料的發(fā)光強(qiáng)度增強(qiáng)，其發(fā)射主峰位于900 IlOOnm能與硅的禁帶寬度完美相匹配，可有效提高晶體硅太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率，是潛在的晶體硅太陽能電池用下轉(zhuǎn)換發(fā)光增強(qiáng)材料。(2)本發(fā)明的稀土 /金屬離子摻雜下轉(zhuǎn)換發(fā)光增強(qiáng)材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、制備方法簡單、成本低、易于操作。


圖1為實(shí)例I所制得的稀土/金屬離子摻雜下轉(zhuǎn)換發(fā)光材料的XRD圖譜。圖2為實(shí)例2所制得的稀土/金屬離子摻雜下轉(zhuǎn)換發(fā)光材料的XRD圖譜。圖3為實(shí)例I和2所制得的稀土 /金屬離子摻雜下轉(zhuǎn)換發(fā)光材料在346nm波長激發(fā)下的發(fā)射光譜圖。圖4為實(shí)例3所制得的稀土 /金屬離子摻雜下轉(zhuǎn)換發(fā)光材料在346nm波長激發(fā)下的發(fā)射光譜圖。
具體實(shí)施例方式為了更好的理解本發(fā)明，下面結(jié)合實(shí)施例進(jìn)一步闡明本發(fā)明的內(nèi)容，但本發(fā)明的內(nèi)容不僅僅局限于下面的實(shí)施例。實(shí)施例1:Y203:0.01mol%Bi3+, 50mol%Yb3+稀土 /金屬離子摻雜下轉(zhuǎn)換發(fā)光增強(qiáng)材料的制備按照化學(xué)計(jì)量比稱取原料Y203、Bi203和Yb2O3,其中Bi2O3摻雜量為0.005mol%，Yb203摻雜量為25mol%。將稱量好的原料放入球磨罐中，以無水乙醇為介質(zhì)置于行星球磨機(jī)中球磨lh。球磨后所得漿料烘干，然后在2000°C溫度下燒結(jié)Ih后隨爐冷卻。燒結(jié)后塊體在研缽中研碎，過80目篩后得到所需的下轉(zhuǎn)換發(fā)光增強(qiáng)材料。其材料的XRD圖譜見圖1，在346nm波長激發(fā)下的發(fā)射光譜見圖3。實(shí)施例2 =Y2O3:4mol%Bi3+, 8mol%Yb3+, 10 mol%Zn0,稀土 /金屬離子摻雜下轉(zhuǎn)換發(fā)光增強(qiáng)材料的制備按照化學(xué)計(jì)量比稱取原料Y203、Bi203、Yb203和ZnO，其中Bi2O3摻雜量為2mol%，Yb203摻雜量為4mol%，ZnO摻雜量為10mol%。將稱量好的原料放入球磨罐中，以無水乙醇為介質(zhì)置于行星球磨機(jī)中球磨72h。球磨后所得漿料烘干，然后在700°C溫度下燒結(jié)24h后隨爐冷卻。燒結(jié)后塊體在研缽中研碎，過80目篩后得到所需的下轉(zhuǎn)換發(fā)光增強(qiáng)材料。其材料的XRD圖譜見圖2，在346nm波長激發(fā)下的發(fā)射光譜見圖3。實(shí)施例3 =Y2O3:40mol%Bi3+, 0.01mol%Yb3+, 70mol%Zn0,稀土 / 金屬離子摻雜下轉(zhuǎn)換發(fā)光增強(qiáng)材料的制備按照化學(xué)計(jì)量比稱取原料Y203、Bi203、Yb2O3和ZnO，其中Bi2O3摻雜量為20mol%，Yb2O3摻雜量為0.005mol%，Zn0摻雜量為70mol%。將稱量好的原料放入球磨罐中，以無水乙醇為介質(zhì)置于行星球磨機(jī)中球磨12h。球磨后所得漿料烘干，然后在1200°C溫度下燒結(jié)8h后隨爐冷卻。燒結(jié)后塊體在研缽中研碎，過80目篩后得到所需的下轉(zhuǎn)換發(fā)光增強(qiáng)材料。其材料在346nm波長·激發(fā)下的發(fā)射光譜見圖4。
權(quán)利要求
1.一種稀土 /金屬離子摻雜下轉(zhuǎn)換發(fā)光增強(qiáng)材料，其化學(xué)組成表不式為:Y203:xBi3+,yYb3+, zZnO，其中x的摻雜量為0.01 40mol%，y的摻雜量為0.01 50mol%，z的摻雜量為 O 70mol%。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述稀土/金屬離子摻雜下轉(zhuǎn)換發(fā)光增強(qiáng)材料的制備方法，其特征在于包括如下步驟:按照化學(xué)計(jì)量比稱取原料Y203、Bi203、Yb203和ZnO，其中Bi2O3摻雜量為.0.005 20mol%, Yb2O3摻雜量為0.005 25mol%, ZnO摻雜量為O 70mol% ;將稱量好的原料放入球磨罐中，以無水乙醇為介質(zhì)置于行星球磨機(jī)中球磨I 72h ;球磨后所得漿料烘干，然后在700 2000°C溫度下燒結(jié)I 24h后隨爐冷卻；燒結(jié)后塊體在研缽中研碎，過80目篩后得到所需的下轉(zhuǎn)換發(fā)光增強(qiáng)材料。
全文摘要
本發(fā)明屬于固體發(fā)光材料領(lǐng)域，具體涉及一種稀土/金屬離子摻雜下轉(zhuǎn)換發(fā)光增強(qiáng)材料及其制備方法。其化學(xué)組成表示式為Y2O3xBi3+，yYb3+，zZnO，其中x的摻雜量為0.01～40mol%，y的摻雜量為0.01～50mol%，z的摻雜量為0～70mol%。組成原料為Y2O3、Bi2O3、Yb2O3和ZnO，其中Bi2O3摻雜量為0.005～20mol%，Yb2O3摻雜量為0.005～25mol%，ZnO摻雜量為0～70mol%。本發(fā)明的稀土/金屬離子摻雜下轉(zhuǎn)換發(fā)光增強(qiáng)材料在利用Yb3+離子發(fā)射的同時(shí)，通過加入金屬氧化物ZnO改進(jìn)了其在紫外-可見區(qū)的吸收，進(jìn)一步提高了Yb3+離子在900～1100nm處的發(fā)光強(qiáng)度，是潛在的提高晶體硅太陽能電池效率的材料。
文檔編號C09K11/78GK103194231SQ20131011985
公開日2013年7月10日 申請日期2013年4月8日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月8日
發(fā)明者王如志, 李開宇, 嚴(yán)輝, 朱滿康, 侯育冬, 王波, 張銘, 宋雪梅, 劉晶冰, 汪浩 申請人:北京工業(yè)大學(xué)