稀土掺杂透明微晶玻璃的体系中的量子剪裁.docVIP

一、研究背景与研究内容简介 1.1研究背景 21世纪，人类将面临实现社会经济可持续发展的重大挑战，面对当前矿物燃料的趋于枯竭和大量耗所诱发的温室效应、酸雨和农业减产等负面问题，迫切需要在世界范围内开发和利用新绿色可再生能源。太阳每秒钟放射的能量大约是1.6×1023，其中到达地球的能量高达8×1013一年内到达地球表面的太阳能总量折合标准煤共约1.892×1013千亿吨，是目前世界主要能源探明储量的一万倍。鉴于此，太阳能必将在世界能源结构转换中担重任，成为理想的替代能源。世界各国政府大力扶持当前，市场上主流太阳能电池产品是晶体硅太阳能电池其市场占有率超过90%。长期以来，人们致力于改善材料的处理工艺来提高硅电池的光电转换效率，通过这种方法，硅电池的最高光电转换率达已达到24.7%但靠材料工艺已经很难进一步提转换效率。由于硅半导体带隙1.12 eV )，只有波长小于1100 nm的太阳光才能够在硅晶体中实现光电转换，而波长大于1100 nm的红外光则无法被利用；另一方面，硅晶体对太阳光有效响应频的下限是400 nm，波长小于400 nm的紫外光也无法被硅电池所利用。同时，在可被硅晶体有效利用的太阳光波谱范围内，能量大于的1.12 eV一个光子也只能产生一个电子-空穴对，剩余的能量将会被转换为热量散失，这将损失约30%的太阳光能量。因此，晶体硅对太阳光谱的有限利用硅电池能量效率的一个重要因素。 太阳电池专家B. S. Richards曾指出，数十年来提高硅太阳能电池光电转换效率的研究思路是致力于硅材料与器件的性能优化，而光电转换效率的进一步提高将主要靠对输入的太阳光谱进行调制对太阳光谱的调制主要有两条技术路线：1、吸收一个高能光子发射两个低能光子的下转换发光；2、吸收低能红外光子发射可见光的上转换发光。在下转换发光方面，尽管其在照明领域的应用已被广泛深入的研究了数十年，但将应用到对太阳光谱进行调制从而提高太阳电池的光电转换效率却是一个崭新的课题。T. Trupke和P. Vergeer等在理论上针对下转换发光开展了相关的研究。由于下转换发光将吸收的一个高能光子转换成两个光子，在理论上量子效率可达到200%，因此，基于下转换思路来调制太阳光谱是一种极具潜力和前景的提高太阳电池转换效率的新方法。 量子剪裁吸收一个光子，在下转换过程中发出两个或多个光子的过程。I，II两种不同的离子图(a)代表单一离子的光子分步发射或串级发射仅一种稀土离子产生量子剪裁。图1-5 稀土离子量子剪裁方式能级示意图 玻璃基质组分采用纯的SiO2和Al2O3作原料，掺杂的离子用优级纯的TbF3YbF3 (4N)引入。按比例配制相当于0g 玻璃的混合料，于玛瑙研钵中研磨混合约20min使之充分混合均匀后装入白金坩锅，再放入温度为140°C 或1450°C的硅碳棒电炉中保温分钟，然后倒到预先极板上压制，获得) ,(1400°C, 45 min) II：60SiO2-20Al2O3-20CaF2-0.4mol%RE3+-xYb3+ (RE=Pr, Tm and Tb, respectively; x=0, 1, 2, 4, 8, 12, 16, 20, 24 or 28mol%, respectively), (1400°C, 45 min) III：45SiO2-12Na2O-23Al2O3-20LaF3-0.5Tm3+-xYb3+ (x=0, 4, and 8), (1450°C, 45 min) 我们分别研究了CaF2微晶玻璃体系中Tb3+-Yb3+ 共掺体系的光谱性能、RE3+-Yb3+ (RE= Tb, Tm, Pr)共掺体系光谱性能的比较，以及在含有LaF3微晶玻璃体系中析晶情况对光谱性能的影响。 2.3 Tb3+-Yb3+共掺的含CaF2纳晶相的氟氧化物透明玻璃的光谱性能 本小结涉及的样品如下： 60SiO2-20Al2O3-20CaF2-0.3Tb3+-xYb3+ (x=0, 4, 6, 10, 14, 18, 22, 26, and 30)，在这里，我们AGx表示未经过热处理的原始玻璃，GCx表示经过热处理后析出CaF2晶相的微晶玻璃，其中x代表Yb3+离子的掺杂浓度。 图2.3.1表示了AG6、GC6、和 GC26样品的XRD图谱。通过比较我们可以观察到，在未经过热处理之前样品是无定型的玻璃态，经过对样品AG6和AG26分别在675oC 和 665oC 热处理2小时后，玻璃体系中有CaF2晶体析出。 Figure 2.3.1 XRD pattern of as-made glass and glass ceramics of AG6, GC6, and GC26, respectively 图2.3.2中A-C 表示了GC6样品的HRTEM照