《兼具量子剪裁與上轉換性能的核殼氟化物膠體納米晶》是依託哈爾濱工業大學，由陳冠英擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：兼具量子剪裁與上轉換性能的核殼氟化物膠體納米晶
- 依託單位：哈爾濱工業大學
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：陳冠英
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
太陽發射光譜與矽基材料吸收光譜的失配是限制矽基太陽能光伏電池效率的瓶頸。高效的量子剪裁或者矽帶隙以下波段的高效上轉換髮光是增強矽基太陽能的電池效率關鍵；然而目前缺乏相應的材料能將兩者有機結契約時實現高效的量子剪裁和上轉換髮光，從而極大提高矽基太陽能電池的效率。膠體納米晶是薄膜和器件製備的關鍵。本項目擬設計和獲取獨特核殼結構的氟化物納米晶，利用殼層實現對高能太陽光子的量子剪裁，利用核心實現對矽帶隙以下波段的上轉換髮光。同時該研究將涉及在膠體氟化物納米晶中實現矽帶隙以下多個波段的同時上轉換，以及利用稀土離子或者有機分子拓展膠體納米晶紫外和可見區的吸收。兼具量子剪裁和矽帶隙以下波段上轉換性能的核殼納米晶的獲取將會能更加有效地和全面地利用太陽能光譜，彌補只利用上轉換材料或者只利用量子剪裁材料來增加太陽能效率的不足。
結題摘要
紫外和可見光譜區域的量子剪裁和紅外光譜區域（矽帶隙以下波段）的上轉換是提高矽基太陽能電池光電轉換效率的有效方法。第一年工作，我們首先通過在不同基質材料（NaYF4，NaGdF4，大尺寸LiYF4和小尺寸的LiYF4）中摻雜相同濃度的激活離子的方法對基質材料光學性能進行最佳化篩選. 研究表明NaYF4基質具有最高的上轉換髮射效率。接著重點開展Er3+（1523nm），Ho3+（1157nm）和Tm3+（1219nm）在NaYF4基質中單摻雜的紅外上轉換螢光特性，並測試LiYF4:10%Er3+和NaYF4:10%Er3+@NaYF4納米晶的絕對上轉換量子產率；兩種材料分別從預期的0.3%提高到1.2%和3.9%。此外，我們採用多層結構NaYF4:10%Er3+@NaYF4@ NaYF4:10%Ho3+@NaYF4@NaYF4:1%Tm3+@NaYF4，成功將Er3+，Ho3+和Tm3+集成於單個納米晶體中協同工作，並利用中間惰性隔離層的設計有效降低三種激活離子之間的能量交叉馳豫過程。最終我們設計的核殼結構實現對於矽帶隙以下270nm範圍紅外光具有寬頻上轉換效應。第二年工作，我們開展Tb3+/ Yb3+，Pr3+/Yb3+和Er3+摻雜納米晶這三種量子剪裁體系的系統研究。通過488nm雷射激發時，實現990nm附近的量子剪裁光譜的發射，有力地證實這三種體系中量子剪裁過程的發生。測量Tb3+/Yb3+、Pr3+/Yb3+摻雜氟化物納米晶的相關能級壽命，計算得出理論量子剪裁產率分別能達到183.7%和185.1%，超過預期的180%。隨後，我們對NaLuF4:Tb3+,Yb3+系列樣品進行表面包覆。研究發現當未包覆殼層時，Yb3+濃度為20%的樣品量子剪裁效果最佳；當包覆殼層後，摻雜Yb3+為100%的樣品量子剪裁效果最佳。第三年，採用NaYF4:10Er@NaLuF4@NaYF4:20%Yb,2%Tb@NaYF4多層核殼結構對上轉換和量子剪裁兩種技術進行集成。殼層結構的選擇能將兩種過程在納米尺度進行有效空間分離，同時NaLuF4中間惰性隔離層的選擇能調控能上轉換和量子剪裁之間的相互影響。研究發現通過精細調控NaLuF4層厚度，能將體系上轉換髮光強度提高1.9倍和量子剪裁發光強度提高1.7倍。綜上所述，我們成功完成自然科學基金計畫的所有內容，並且獲得一些更深層次的研究結論。
