硼酸盐玻璃中三价铈铽离子的光致发光与能量传递
基于对可再生太阳能的充分利用,光电转换材料以其特殊的性能已经被研究很多年了,然而由于太阳能电池较低的能量转换效率,使太阳能产品的价格还是比较昂贵的.限制太阳能电池效率的一个主要因素是太阳能电池器件只能利用太阳辐射的一部分能量,而大部分的紫外和红外光能量未被利用.据报道,硅太阳能电池的转换效率通过使用光转换层可以从30.9%提高到38.6%.下转换是一种提高太阳能电池效率的有效途径,通过下转换材料可以将短波长的太阳光转换成太阳能电池可充分利用的可见光.由于Tb3+在可见光区域具有较高的荧光量子效率,所以Tb3+掺杂材料通常被用作下转换材料.另一方面,Ce3+具有较宽的4f→5d发射带,很容易被紫外光所激发,能够将紫外光转换为蓝光,被用作Tb3+下转换材料的敏化剂.在众多的氧化物玻璃中,碱土硼酸盐玻璃具有稳定的化学性质,均匀的光学性质,较低的熔点,并且对稀土离子有较好的分散性,再者,在硼酸盐玻璃中稀土离子具有较大的吸收与发射截面,因此,硼酸盐玻璃将被作为下转换材料有效的基质材料.基于上述思考,本文采用高温固相熔融法设计合成了单掺Ce3+,单掺Tb3+以及Ce3+/Tb3+共掺的碱土硼酸盐玻璃(RMB).并通过荧光光谱测试,分析了 Ce3+与Tb3+的发射光谱、激发光谱以及能量传递过程,并找到了该掺杂硼酸盐玻璃中Ce3+与Tb3+的荧光发射强度与掺杂浓度之间的关系,主要结论如下:1.掺杂不同浓度的Tb3+RBM玻璃在365nm激发下,出现了对应5D4→7F6,5D4→7F5,5D4→7F4,5D4→7F3能级跃迁的四个发射峰值,分别位于488,543,584,622nm附近处,其中543nm处的绿色荧光发射最强.在相同条件下,随着Tb3+浓度的增加,绿色荧光逐渐增强.在300~380nm紫外光激发下容易得到有效的绿色荧光.2.Ce3+RBM玻璃在紫外激发下,发射光谱没有呈现尖锐的峰,而是呈宽带状,Ce3+RBM玻璃在280~380nm波长范围内容易被激发,并通过5d→4f跃迁发射将高能紫外光转换为可见蓝光.再者,在一定浓度范围内,随着Ce3+浓度的增加,Ce3+RBM玻璃发射蓝色荧光强度也随着增强.3.在340~385nm波长范围内,Ce3+的发射光谱与Tb3+的激发光谱相重叠,这就使得Ce3+能够吸收高能紫外光后,通过5d→4f能级跃迁,将高能紫外光子的能量传递给了 Tb3+,使Tb3+的发射得到了增强,即Ce3+与Tb3+间产生了有效的能量传递过程.4.在Ce3+/Tb3+共掺RBM玻璃中,随着Ce3+的介入,Tb3+的绿色荧光发射明显增强,由此可见,Ce3+是Tb3+较好的敏化剂.通过对0.02Ce3+-xTb3+掺杂和0.05Ce3+-xTb3+(x=0.5,1.0,2.0)掺杂RBM玻璃在紫外激发下的研究表明,当Tb3+浓度一定时,随着Ce3+浓度的增加,Tb3+的荧光发射强度随之增强;当Ce3+浓度一定时,在一定的Tb3+浓度范围内,随着Tb3+浓度的增加,Tb3+的发射强度也随之增强;当Tb3+浓度一定时,0.05Ce3+掺杂样品比0.02Ce3+掺杂样品的发射要强.通过估算Ce3+和Tb3+间的能量传递效率可以得出,当Ce3+浓度一定时,随着Tb3+浓度的提高,能量传递效率也随着增加,在一定浓度范围内,高浓度的Tb3+有较高的能量传递效率.比较308nm激发下的发射光谱可知,0.02Ce3+-2.0Tb3+掺杂和0.05Ce3+-2.0Tb3+掺杂RBM玻璃发射蓝绿色荧光最强,这将可作为太阳能电池的光转换层,对转换效率的提高是非常有价值的.
- 作者：
- 张海浜
- 学位授予单位：
- 大连工业大学
- 专业名称：
- 材料工程(专业学位)
- 授予学位：
- 硕士
- 学位年度：
- 2017年
- 导师姓名：
- 张晶晶；张国武
- 中图分类号：
- TQ171.1；TM914.4
- 关键词：
- Ce3+/Tb3+共掺；下转换；能量传递；发射强度
- Ce3+/Tb3+ co-doped； down conversion； energy transfer； emission intensity