[发明专利]银纳米颗粒表面等离子体增强的光波长转换玻璃陶瓷及其制备方法

说明书

发明领域

本发明涉及一种玻璃陶瓷及其制备方法，尤其是银纳米颗粒表面等离子体增强的光波长转换玻璃陶瓷及其制备方法。

背景技术

开发新能源和可再生清洁能源成为21世纪最具有决定影响的技术领域之一。太阳电池以其独特优势有望成为未来电力供应主要支柱。当前，市场上主流的太阳电池产品是晶体硅太阳电池，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，在常规太阳辐照度(AM1.5)下硅电池的最高光电转换率已达到24.7%。理论计算表明，传统硅电池的极限光电转换率为29%，所以仅靠材料处理工艺的改进已经很难进一步提高其能量转换效率。太阳电池专家B.S.Richards曾指出，未来光电转换效率进一步提高将主要依靠对输入的太阳光谱进行调制。

由于硅半导体具有固定的带隙(1.12eV)，传统的晶体硅太阳电池无法完全吸收转换自然的太阳光能量。到达地面的太阳红外光谱区的能量约占整个太阳光谱能量的50%，但只有波长小于1100nm的太阳光才能在硅晶体中实现光电转换，波长大于1100nm的红外光和波长小于400nm的紫外光都无法被硅太阳电池所利用。利用上转换或下转换发光材料，可以对输入的太阳光谱进行调制，实现硅太阳电池对全波段太阳光的利用，理论计算表明：常规太阳辐照度(AM1.5)下，利用上转换或下转换发光可将硅太阳电池的极限转换效率提高10%以上。因此，光谱调制技术是一种极具潜力和前景的提高硅太阳电池能量转换效率的新方法。

光谱调制材料研究的热点集中于稀土掺杂的玻璃陶瓷或荧光粉材料。其中，稀土掺杂氟硅酸盐透明玻璃陶瓷兼具玻璃的优异的加工特性和晶体的发光特性，不仅可以加工成高度透明的板状甚至超薄板状，也可以通过湿化学的方法沉积于太阳电池面板的表面，是应用于太阳电池的最佳候选之一。然而，稀土发光材料大多源自于4f内层电子的跃迁，太阳光并不足以使激发出稀土离子的高效发光，这样的稀土发光也能在太阳电池回路中产生有效的光电流。鉴于此，近年来得到广泛关注和深入研究的表面等离子体共振荧光增强技术有望使稀土下转换或上转换发光材料的激发效率和发光强度获得重大提高。表面等离子体共振( surface plasmon resonance, SPR) 可由贵金属纳米粒子的内部电子在其特征频率的光作用下协同振荡所产生。表面等离子体共振可极大地增强其周围粒子的电磁场，从而降低粒子的活化能，提高粒子的激发效率或辐射衰减速率，最终使相应的发光强度大大增强。理论上，以具有完美结构的椭球体(50?×100?)为模型计算得到的激发效率最大可提高10000倍。因此，采用金属纳米颗粒来增强稀土发光的激发效率，有望获得可被太阳光有效激发的光波长转换材料，可为制备提高硅太阳电池转换效率的稀土材料发光层提供新的思路和途径。

发明内容

本发明的目的是提供一种银纳米颗粒表面等离子体增强的光波长转换玻璃陶瓷及其制备方法。

本发明的银纳米颗粒表面等离子体增强的光波长转换玻璃陶瓷，它的组分和摩尔百分比如下：

SiO₂          45－55 mol％；

B₂O₃         10－15 mol％;

AlF₃                 5－10 mol％；

R₂O₃         10－15 mol％;

Na₂O         5－10 mol％；

NaF          5－10 mol％；

LnF₃            0.5－3 mol％；

Ag            0.5－3 mol％。

其中，R表示Y，Gd稀土元素中的一种或两种，Ln表示Ce，Eu，Tb，Dy，Tm， Er，Yb稀土元素中的一种或一种以上。

本发明的银纳米颗粒表面等离子体增强的光波长转换玻璃陶瓷的制备方法，有以下两种技术解决方案：

方案1

采用“高温熔制掺银玻璃+两步热处理”法，具体步骤如下：