Eu3+@SiO2 下转换发光特性及其太阳电池应用研究,石墨烯新能源领域

作者：檀满林1 , 尚旭冉1, 2, 马清1 , 王晓伟1 , 符冬菊1 , 李冬霜1 , 张维丽1 , 陈建军1 , 张化宇2 (1. 深圳清华大学研究院, 深圳 518057; 2. 哈尔滨工业大学深圳研究生院, 深圳 518055)

摘要: 铕掺杂钒酸钇(YVO4: Eu3+)作为常用的下转换发光材料一直受到广泛的关注和研究, 但是 YVO4: Eu3+ 的表面缺陷会严重影响材料的发光效率。为了进一步改善 YVO4: Eu3+纳米粉体材料的粒度分布和形貌特点, 在亚微米级别的 SiO2 微球表面涂覆一层 YVO4: Eu3+, 制成 YVO4: Eu3+@SiO2 核–壳结构, 得到单分散的球形 YVO4: Eu3+下转换发光材料, 实现 YVO4: Eu3+的发光性能和 SiO2 球形特性的有机结合。研究发现, 当壳核比为 0.6 时, YVO4: Eu3+@SiO2 核–壳结构材料的发光强度可达到纯纳米粉体材料发光强度的 90%以上。将改性后的 YVO4: Eu3+@SiO2 核–壳结构材料涂覆在硅基薄膜太阳电池上, 可使电池的短路电流密度和转化效率分别由 6.694 mA/cm2 和 9.40%提升至 8.417 mA/cm2 和 10.15%, 增益效果较为明显。实验结果表明, 采用溶液法制备的 YVO4: Eu3+@SiO2 纳米粉体材料由于具有形貌规则、团聚小和尺寸分布均匀等特点, 可用作硅基薄膜太阳电池下转换发光层材料。

关键词: 钒酸钇; 核–壳结构; 太阳电池; 下转换

下转换发光是将一个具有较高能量光子转变成两个或多个低能光子的发光现象[1]。下转换发光材料可以通过这种现象来提升能量的利用率, 减小在跃迁过程中发生的能量损失, 这一优异性能可以用来提高太阳电池的光电转换效率[2-4]。2002 年, Trupke 等[5-6]就提出上转换和下转换模型在太阳电池中的应用设想, 并尝试将其用于单结非晶硅太阳电池的上表层。随后, 澳大利亚学者通过计算发现, 通过下转换发光材料对太阳光谱进行转换, 可以使太阳电池的理论光电转换效率由 Shockley-Queisser 提出的 30%提升到 40%~50%[7-10]。铕掺杂钒酸钇(YVO4: Eu3+)作为常用的下转换发光材料一直受到广泛的关注和研究。YVO4 具有四方晶系锆石结构, 由于 Y3+具有 4f0 、4f7 、4f12 等全空、半充满和全充满的结构, 所以在钒酸钇基质中不会产生f-f跃迁, 也不会产生无辐射跃迁过程而消耗能量, 是一种非常好的发光基质材料[4]。以 YVO4 为基质的下转换发光材料具有较高的发光效率和发光强度, 主要是由于基质能够把能量非常有效地传递给激活离子。YVO4 基质中存在 Y–O–V 键, 键角为 170°, 掺入稀土离子之后, YVO4 基质的能量传递和敏化作用都会发生在 Y-O-V 键的内部[11]。这种直线形状的链结构有助于原子波函数的重叠, 通过发生交换作用之后, 能量就会有较高的传递效率, 所以 YVO4 基质中掺入激活离子 Eu3+能够实现强的红光发射。但是 YVO4: Eu3+的表面缺陷会严重影响材料的发光效率。为了优化, 研究者们利用磷元素部分取代钒合成了一种 YVO4: Eu3+@YPO4壳-核结构材料[12], 获得了好的发光效率。荧光光谱测试结果表明, YVO4: Eu3+@YPO4荧光粉比单纯的 YVO4: Eu3+ 荧光粉发光效率提高 66.75%, 并且有非常好的色纯度。此外, YVO4: Eu3+作为下转换发光材料, 要求形貌规则、粒度均匀且不团聚。而单分散 SiO2 微球具有分散性好、比表面积大、光学性能和化学稳定性良好等特点, 已成为研究热点[13]。本工作接合 YVO4: Eu3+的发光性能和 SiO2球形特性, 尝试在纳米尺度上对材料结构的设计和性能的进行优化, 使其更加有效地应用于太阳电池下转换发光层材料。

经研究表明得出以下结论：

1) 在亚微米级别的 SiO2 微球表面涂覆 YVO4:Eu3+, 可制成 YVO4: Eu3+@SiO2 核–壳结构, 得到单分散的球形下转换发光材料, 从而实现 YVO4: Eu3+ 的发光性能和 SiO2 球形特性的有机结合。

2) 采用溶液法制备的 YVO4: Eu3+@SiO2 纳米粉体材料形貌规则、团聚小、尺寸分布均匀, 当其壳核比为 0.6 时, 其发光强度可以达到纯 YVO4: Eu3+纳米粉体发光强度的 90%以上。

3) 采用 YVO4: Eu3+@SiO2 下转换发光层可使硅基薄膜太阳电池的短路电流密度和转化效率分别由 6.694 mA/cm2 和 9.40%提升至 8.417 mA/cm2 和 10.15%, 增益效果较为明显。