[发明专利]用于太阳光谱调制的Tm3+/Yb3+双掺杂α-NaYF4单晶体及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及用于太阳光谱调制的单晶体，具体涉及用于太阳光谱调制的Tm³⁺/Yb³⁺双掺杂α-NaYF₄单晶体及其制备方法。

背景技术

目前制作太阳能电池的主要材料为单晶与多晶硅，通过硅材料的光伏效应实现光能与电能的转化，但硅太阳能电池的光电转换效率很低，目前市面光电转换效率仅达到18％。这主要是由于硅材料对太阳光的最有效的吸收波长约在1000nm左右，太阳光源中的紫外光和波长大于1100nm的红外光均无法得到有效吸收。通过对太阳光谱进行调制，把太阳光中的紫外光与波长大于1100nm的红外光转换成硅晶材料容易吸收的1000nm左右光源，则硅晶太阳能电池的光电转换效率将大幅提高。太阳光谱调制技术通常有两条技术路线：一是吸收一个高能紫外光子发射两个低能光子的下转换发光，该现象又叫“量子剪裁”。二是吸收多个低能红外光子发射一个高能光子的上转换发光。其中“量子剪裁”效应是一种高效的下转换效应，其原理是通过发光离子之间的部分能量传递实现下转换的新途径。发光材料可以吸收一个真空紫外光子，由发光离子之间的能级跃迁达到能量传递的效果，最终实现辐射两个光子的过程，故其量子效率理论上可以达到200％。因此，量子剪裁材料能实现对太阳光谱的有效调制。现阶段稀土离子掺杂的量子剪裁材料主要有荧光粉体和玻璃两种材料，由于荧光粉体对太阳光产生很大的散射作用，以及玻璃材料较差的稳定性能性能，这成为制约其大规模实际应用的最大瓶颈。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种能有效吸收紫光(～465nm波段)并能高效率转换成硅材料易吸收的红外光(～1000nm波段)，能有效实现对太阳光谱调制的Tm³⁺/Yb³⁺双掺杂α-NaYF₄单晶体及其制备方法；该Tm³⁺/Yb³⁺双掺杂α-NaYF₄单晶体具有优秀的抗光辐照性能、机械性能、热学性能、物化性能及光学透过性能。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：用于太阳光谱调制的Tm³⁺/Yb³⁺双掺杂α-NaYF₄单晶体，该单晶体的化学式为α-NaY_(1-x-y)Tm_xYb_yF₄，其中x、y分别为Tm³⁺、Yb³⁺置换Y的摩尔比，0.01≤x+y≤0.15，且x、y的比例为x∶y＝1∶2～80。

所述的用于太阳光谱调制的Tm³⁺/Yb³⁺双掺杂α-NaYF₄单晶体的制备方法，其具体步骤如下：

1)原料制备与处理：

a、将纯度大于99.99％的NaF、KF、YF₃、TmF₃、YbF₃原料按摩尔比NaF∶KF∶(YF₃+TmF₃+YbF₃)＝1～2.4∶1∶2.24～3.4，TmF₃∶YbF₃＝1∶2～80，YF₃∶(TmF₃+YbF₃)＝1∶0.01～0.15混合，置于碾磨器中，碾磨混合5～6h，得到均匀粉末的混合料；

b、将上述混合料置于舟形铂金坩锅中，再安装于管式电阻炉的铂金管道中，然后先用N₂气排除铂金管道中的空气，再在温度770～800℃，通HF气下，反应处理1～5小时，反应处理结束，关闭HF气体与管式电阻炉，用N₂气清洗管道中残留的HF气体，得到多晶粉料；

2)晶体生长：

a、以KF作为助熔剂，采用密封坩锅下降法进行晶体生长，将上述多晶粉料置于碾磨器磨成粉末，然后置于Pt坩埚中并压实，密封Pt坩埚；密封就隔绝了空气和水汽，使得晶体生长过程中与空气和水汽隔绝，使生长的Tm³⁺/Yb³⁺双掺杂α-NaYF₁激光晶体品质高；