[发明专利]一种掺铒二氯化钡的上转换发光材料及其制备、使用方法和应用

说明书

技术领域

    本发明涉及一种上转换发光材料及其制备、使用方法和应用，特别涉及一种掺铒二氯化钡的上转换发光材料及其制备、使用方法和应用。

背景技术

    为解决全球能源危机，利用光伏效应将太阳能直接转换成电能的太阳能电池开辟了当今合理利用太阳能的广阔道路。但是，目前广泛使用的硅基太阳能电池最大理论光电转换效率仅30%，并且其实际转换效率只有15％。通常情况下，到达地面的太阳能光谱（AM 1.5）能量约100 mW/cm²，覆盖波长200-2500 nm。对于硅基太阳能电池，其能级带隙E_g～1.12 eV，只有波长λ<1100 nm的太阳光才能被吸收，波长λ>1100 nm的近红外光损失严重，并且载流子热能化也将降低电池的效率。对于非晶硅太阳能电池，能级带隙E_g～1.80 eV，光电响应截止波长λ<800 nm，相比硅基太阳能电池，非晶硅太阳能电池对太阳光的响应都集中在可见光范围，近红外光透过损失更为严重。因此，如何更充分更合理地利用太阳光以提高太阳能电池的光电转换效率是当今世界关注的焦点问题之一。数十年来，人们主要集中在材料与器件的结构、性能优化方面力求提高太阳能电池光电转换效率。太阳能电池专家曾指出，未来进一步提高太阳能电池的光电转换效率将主要依靠对输入的太阳光进行光谱调制。太阳光谱调制包括两条技术路线：                                               吸收一个高能光子发射两个低能光子的下转换发光；吸收两个或多个低能红外光子发射一个高能可见光子的上转换发光。近年来，随着上转换材料的迅速发展，利用上转换材料将红外光转换成可见光用于提高太阳能电池光电转换效率得到广泛研究。目前全世界普遍认为，将上转换材料应用到非晶硅太阳能电池背面使低能级带隙的红外光转换成可见光，进而被电池吸收，可使非晶硅太阳能电池的光电转换效率从9%稳定增加到12%。

但是，大量的实验模拟研究工作都基于单色红外激光激发。根据太阳光谱具有宽频谱特性，可以猜想基于宽带激发上转换材料将产生意想不到的结果。高效上转换材料通常采用稀土离子掺杂来实现能量转换，但稀土离子的基态吸收在红外范围往往局限于有限的波长，稀土离子激发态吸收，以及声子耦合吸收等过程难以发挥作用。另一方面，多色光相对单色光激发高效上转换材料，激发能量和稀土离子能级差失配明显减小，并且大大提高了能量传递上转换过程的发生几率和电子跃迁途径，使上转换发光效率明显提高，从而进一步提高了非晶硅太阳能电池的光电转换效率。因此，选用稀土离子掺杂的高效上转换材料，采用多色红外光同时激发获得上转换发光，可使稀土离子基态吸收、激发态吸收以及声子耦合吸收等过程同时实现，并极大地提高能量传递几率和电子跃迁途径，这种新方法对未来进一步提高太阳能电池光电转换效率极具潜力和前景。

 

发明内容

    本发明的目的是提供一种掺铒二氯化钡的上转换发光材料及其制备、使用方法和应用，以增强上转换发光材料的发光强度，提高非晶硅薄膜太阳能电池光电转换效率。

一种掺铒二氯化钡的上转换发光材料，原料包括二氯化钡、三氯化铒以及氯化铵，其中二氯化钡和三氯化铒的摩尔比为65:35～80:20，氯化铵为二氯化钡和三氯化铒总摩尔数的20-30倍。

一种掺铒二氯化钡的上转换发光材料的制备方法，包括如下步骤：

（1）将二氯化钡和三氯化铒按摩尔比65:35～80:20在惰性氛围中混合，得到二氯化钡和三氯化铒混合物，备用；

（2）取氯化铵，并将该氯化铵等分为三份，在惰性氛围下，将第一份氯化铵放置于坩埚底部，然后将第二份氯化铵与步骤（1）得到的二氯化钡和三氯化铒混合物充分混合后铺盖于第一份上面，后将最后一份氯化铵铺盖于第二份氯化铵与二氯化钡和三氯化铒的混合物之上，继续在惰性氛围下，于800～1100℃的温度下保温1-3小时，得到掺铒二氯化钡的上转换发光材料；所述氯化铵为二氯化钡和三氯化铒总摩尔数的20-30倍。

上述方法中，步骤（1）和步骤（2）中所述惰性氛围为氮气氛围或氩气氛围。

一种掺铒二氯化钡的上转换发光材料的使用方法，利用800-1000nm波长范围的两种或者两种以上近红外光激发掺铒二氯化钡上转换发光材料；所述的两种或者两种以上近红外光激发是由两种或者两种以上单色激光器的近红外光同时激发，或者是连续近红外光源激发，或者是连续近红外太阳光模拟光源进行激发。