用于太阳能电池的下转换材料：NaYF4:Er,Yb外文翻译资料

 2022-08-08 09:08

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用于太阳能电池的下转换材料：NaYF4:Er,Yb

摘要：下转换是通过吸收一个较高能量的可见光子并发射两个较低能量的近红外（NIR）光子来提高太阳能电池效率的有效途径。在此，我们研究了在NaYF4中引入Er3 ，Yb3 体系的下转换效率，一种大家所熟知常用于上转换的体系。掺有1％Er3 的NaYF4和共掺有0％，5％，10％或30％Yb3 的NaYF4的激发和发射光谱表明，该体系的近红外（NIR）下转换效率较低。基于反向方法进行的下转换从4F7/2级到4S3/2级的快速多声子弛豫阻碍了上转换过程的完成。能量从Er3 的4S3/2能级转移到Yb3 被证明是无效的。观察到从Er3 能级的4G11/2能有效地进行下转换，导致在吸收单个380 nm光子后发射了两个光子（一个在980 nm附近，一个在650 nm附近）。

一、引言

由于光谱失配带来了一大部分的能量损耗，使得太阳能电池的转换效率被限制在30％[1]。能量小于能隙的光子不会被吸收，能量大于带隙的光子大部分能量会随热而损失。通过将多种带隙不同的半导体材料组合在一起，每个都可以高效地转换太阳光谱的不同部分，可以适用于太阳能电池，减少与光谱失配有关的能量损失。据报道，该方法已成功应用在太阳能电池领域，能源转换效率超过了40％[2]。减少光谱失配损耗的另一种方法是通过调整太阳光谱，以便太阳能电池可以更有效地使用它。

有两种选择可以适应太阳光谱。第一种选择是添加两个较低能量的光子，以获得一个可以被太阳能电池吸收的较高能量的光子。此过程称为上转换，特别适用于具有传输损耗占主导地位的大带隙电池。适应太阳光谱的第二种方法是分裂一个较高能量的光子，以获得两个具有较低能量的光子。这些光子随后可被太阳能电池直接吸收并产生电子-空穴对。这就是所谓的下转换直流电，对于带隙较小的太阳能电池最为有利。在这种情况下，热损耗是主要损耗因子。因为该过程是一个光子被“切”成两个较小能量光子的过程，因此该过程也称为量子切割过程。镧系离子非常适合使用对于下转换（DC）或上转换（UC）过程，因为它们具有丰富的能级结构，可以进行有效的光谱转换。使用一种类型的镧系元素离子或多种镧系元素离子高效进行下转换或上转换的例子有很多[3,4]。

Trupke等[5-7]人进行了广泛的计算，以确定将下转换或上转换材料与太阳能电池结合使用的效果。使用理想的下转换材料，带隙为1.1 eV的太阳能电池的极限效率可能达到40％[5]。将2 eV太阳能电池与理想的上转换材料结合使用可以将转换效率的上限提高到50％[6,7]。对于上转换材料，一个重要的问题是上转换是一个非线性过程：对于两步上转换过程，发光强度与入射光强度的平方成正比。因此，只有在足够高的激发密度下才能获得高转换效率，使用激光很容易实现，而在自然条件下则需要强烈的阳光照射。最有效的上转换是使用镧系离子实现的[3]。特别有效的一个上转换例子是Er3 和Yb3 。据报道，高功率激光激发下，在NaYF4：Er3 ,Yb3 中NIR转换为可见光的效率约为50％[8]。另一个例子是掺有Er3 的NaYF4的近红外上转换，它被施加到硅太阳能电池的背面，能将1400-1500 nm 的近红外转换为可被c-Si太阳能电池吸收的光子[7,9]。

与上转换相反，下转换是一个线性过程，可以使用非聚光的阳光而获得与入射功率无关的高转换效率。与上转换材料相比，有效下转换材料的演示非常有限。 LiGdF4主晶格中的（Gd3 ，Eu3 ）耦合显示出有效的下转换（内部量子效率约为190％），同一主晶格中的Er3 ，Gd3 和Tb3 的效率为130％[4,10,11]。这两个例字都是将紫外光子通过下转换过程变成两个可见光子。

在(Y, Yb) PO4:Tb3 中证实将紫外或可见光子通过下转换变为近红外光子[12]。入射光在激发Tb3 离子的5D4状态后，通过协同能量转移过程激发了两个相邻的Yb3 离子。Tb3 的5D4能级的能量大约是Yb3 的2F7/2能级的两倍，并且在能量转移后，观察到Yb3 的发射光在1000 nm附近。这刚好在晶体硅的带隙之上，这使Yb3 成为与c-Si太阳能电池结合使用的优异候选下转换材料。最近，也报道了Tb3 ，Yb3 [13,14]和其他镧系元素的合作下转换过程，即Pr3 ，Yb3 [15]和Tm3 ，Yb3 [16]。然而，尚不清楚二阶协同能量传递过程是后两个系统中的运行机制，因为一阶能量传递过程也是可能的，并且有望成为主导[17]。二阶协同能量转移过程的较低效率使其仅在非常高的Yb3 浓度下才有效，其中Yb3 的发射浓度在很大程度上被猝灭。为了实现更有效的能量转移，应使用施主离子上的中间能级，以便通过两个共振能量转移步骤获得下转换。

在本文中，我们研究使用Er3 和Yb3 耦合是否可以实现有效的下转换。过去已经证明，Er3 和Yb3 是特别有效的上转换对[8]。我们选择NaYF4作为宿主晶格来研究下转换，该宿主因Yb3 ，Er3 的高效上转换而闻名，并且该宿主晶格具有较小的声子能量，最大声子能量为400 cm-1，低声子能量至关重要。图中1显示了Er3 ，Yb3 对的下转换方案。它与我们所熟知的上转换方案相反。在第一步中从Er3 的4F7/2级进行能量转移：Er3 (4F7/2→4I11/2) 和Yb3 (2F7/2→2F5/2)，从而填充了Yb3 的2F5/2级。在第二步中能量可能从Er3 的4I11 / 2能级转移到第二个Yb3 离子，同时Er3 也可能从4I11/2能级发射约1000 nm的光子。为了获得有效的下转换，重要的是要防止从4F7/2到4S3/2的快速非辐射衰减，因为不可能有4S3/2能级的下转换。由于4F7/2能级的非辐射弛豫由多声子弛豫确定，因此需要低声子能量来降低多声子弛豫率。在本文中，我们将显示4F7/2能级的下转换不能与该能级的多声子弛豫竞争，并且需要具有较低声子能量的主体晶格，从较高能量的4G11/2能级观察到下转换。

图1. Er3 （4f11）和Yb3 （4f13）的能级方案显示了两种可能的下转换机制。第一能量从Er3 转移到一个Yb3 [1：Er3 （4F7/2→4I11/2）和Yb3 （2F7/2→2F5/2）]，然后由Yb3 （2F5/2→2F7/2）发射红外光子。剩余能量可以转移到第二个Yb3 [2：Er3 （4I11/2→4I15/2）和Yb3 （2F7/2→2F5/2）]，也可以通过Er3 （3：4I11 / 2→4I15/2）发出）。

二、方法

通过干混法制备掺有Er3 和Yb3 的NaYF4粉末样品。将NaF与YF3，ErF3和YbF3混合。然后将共混物放入氧化铝坩埚中，并在氮气流下与过量的98％以上的NH4F一起在马弗炉中烧制。首先将样品加热至300 ℃保温2 h，然后加热至550 ℃保温3h。待样品充分冷却后，用研杵和研钵将其压碎，并进行X射线衍射测试。

用Perkin Elmer Lambda 950 UV/VIS/IR吸收光谱仪测量漫反射光谱。发射光谱和激发光谱使用SPEXDM3000F分光荧光计，以450 W Xe灯作为激发源进行测试。激发和发射波长是用1200 l/mm的双光栅0.220 m SPEX 1680单色仪在30 nm火焰下进行的。通过将发射的光聚焦在0.3 m单色仪的光纤上来记录发射光谱。在发射器上，发射光被150 l/mm光栅或1200 l/mm光栅散射，两者均以500nm的波长发光。用Princeton Instruments 300i电荷耦合装置检测到散射的光。SPEX荧光分光光度计配备了用于低温测量的牛津氦气流低温恒温器。

光谱未针对仪器响应进行校正。使用BIBUQ染料溶液用Lambda Physik LPD3000可调染料激光器进行了380 nm激发波长的寿命测量。染料激光器由Lambda Physik LPX100准分子激光器泵浦。设置的典型脉冲宽度为20 ns，重复频率为10 Hz。

三、结果和讨论

合成了掺杂有1 mol％ Er3 和0 mol％, 5 mol％, 10 mol％和30 mol％ Yb3 的NaYF4样品，以及一个掺杂有5 mol％ Yb3 而没有Er3 的样品。X射线衍射测试对所有五个样品给出了相似的结果。它们主要由六方晶相组成，尽管也存在少量NaYF4立方相。六方晶相的下转换已被证明比两个晶相的更有效[18]。

从图2的漫反射光谱中可以看出，所有掺Er3 的样品对应于Er3 的跃迁（例如500 nm附近的4I15/2→4F7/2跃迁和1550 nm附近的4I15/2→4I13/2跃迁）峰的吸收强度相同。这意味着与起始混合物中存在相同量的Er3 （1 mol％）相比，各种样品中掺入的Er3 浓度相似。Yb3 在1000 nm的吸收峰强度取决于起始混合物中存在的Yb3 浓度。在紫外线范围内，观察到介于200 nm和400 nm之间的吸收带，这可能与缺陷有关，可能涉及氧杂质。对于掺有1％ Er3 和5％ Yb3 的样品，该吸收带最强。

图2. NaYF4:Er3 （1％），Yb

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