提高上转换材料光-光转换效率的研究

摘要

近年来，上转换发光材料在激光技术、三维立体显示、荧光分子生物标记及光伏技术等领域表现出良好的应用前景。然而因其低的荧光效率，限制了其在各领域的工业化应用进程。因此，探究如何提高上转换材料荧光效率，对有关物理过程进行深入的分析和认识，具有重要的理论与实用意义，成为了当前的研究热点。
　　本论文在参考大量文献及前期实验结果的基础上，采用水热法制备出荧光效率高的微米级六角晶向Yb3+，Er3+共掺的NaYF4上转换材料，同时提出将纳米金属颗粒表面等离子激元运用到上转换材料中，通过纳米金属颗粒表面等离子激元的高能局域电场，提高上转换材料高能级电子的激发速率，从而获得辐射光子跃迁几率的增加；同时激发速率的提高同样可以改变上转换材料的荧光寿命以及量子场效应。采用XRD，SEM，UV-IV以及PL谱测试，探究其表面等离子激元特性对上转换材料荧光效率的影响作用，获得提高上转换材料光-光转换效率的有效途径。得到的结论如下：
　　1、采用共烧结与共离心工艺，将不同量的纳米Ag颗粒引进制备上转换材料的前驱液中，分别在离心前后引入纳米银溶胶，实现纳米Ag颗粒和上转换材料的充分混合，通过XRD和SEM测试，表征了纳米Ag颗粒的引入，虽然没有改变基质材料的结晶取向，但是却改变了基质材料衍射峰强：少量掺入纳米Ag颗粒，可以促进基质材料六角晶向的衍射峰峰强，过多引入反而会起到相反效果；进一步对材料进行了光吸收和光发射特性测试分析，表明混合材料具有吸收和荧光均强度增强的效果，在300-800nm全谱增益达28％；采用共离心后烧结工艺制备获得纳米Ag颗粒与上转换混合材料，其300-800nm全谱上荧光增益达43%；
　　2、通过工业化应用的50nm银粉和纳米级NaYF4上转换材料进行掺杂，采用将基质材料和纳米Ag粉溶于酒精然后进行不同量掺杂，由XRD和SEM对材料结晶质量进行测试，表征了纳米Ag颗粒的引入，并未改变基质材料的结晶取向，而且对基质材料的衍射峰峰强影响不大；基于在不影响上转换材料结晶的情况下，进一步经过吸收谱和发射谱测试对材料进行了分析，表明混合材料相对基质材料的荧光强度有一定的增强，在300-800nm全谱增益达40%；
　　3、将实验制备的含纳米银颗粒的上转换材料应用于非晶硅薄膜太阳电池中，通过对比非晶硅电池J-V曲线测试，纳米银颗粒的引入未引起电池开路电压和填充因子的改变，而使短路电流有一定的提高（约9.3％）。该结果表明了纳米银颗粒对上转换材料的荧光增强效果可提高非晶硅电池的光吸收几率。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

符号说明

第一章 绪论

§1-1 研究背景

§1-2 课题来源

§1-3 选题的目的和意义

§1-4 研究内容

第二章 上转换荧光及表面等离子激元基础、制备工艺及特性的表征

§2-1 上转换材料的发光机制

§2-2 上转换材料的制备方法

§2-3 表面等离子激元的激发机制

§2-4 纳米Ag颗粒的制备方法

§2-5 上转换荧光及纳米金属结构表面等离子激元的表征方法

第三章 纳米Ag颗粒与NaYF4上转换材料的有效混合方式研究

§3-1 引言

§3-2 采用共烧结工艺制备纳米Ag颗粒与NaYF4混合上转换材料

§3-3 采用共离心工艺制备纳米Ag颗粒与NaYF4混合上转换材料

§3-4 商业化生产纳米Ag颗粒与纳米级上转换材料的有效混合

§3-5 本章小结

第四章 纳米Ag颗粒对NaYF4上转换材料光致荧光效率的影响

§4-1 引言

§4-2 纳米Ag颗粒表面等离子激元光学特性

§4-3 共烧结工艺制备混合材料荧光特性研究

§4-4 共离心工艺制备混合材料荧光特性研究

§4-5 商业级纳米混合材料荧光特性研究

§4-6 本章小结

第五章 改善的上转换材料在太阳电池中的应用

§5-1 引言

§5-2 硅基薄膜太阳能电池的原理

§5-3 硅基薄膜电池与UC材料结合的设计

§5-4 电池与UC材料结合工艺的初步研究

§5-5 本章小结

第六章 总结与展望

§ 6-1 本论文的主要结论

§ 6-2 对未来工作的展望

参考文献

致谢

个人简历

在学期间发表的学术论文