YVO4及YVO4:Eu3+,Yb3+下转换荧光粉的水热法制备及性能表征

摘要

近年来，以太阳能光伏发电为代表的可再生能源产业正逐步进入人类能源结构，并将成为未来能源发展的必然趋势。目前，在太阳能电池市场上占据主导地位的仍然是晶体硅电池，然而影响晶体硅电池大规模民用的主要障碍仍然是电池及组件成本高，光电转换效率较低。此外，电池吸收高能紫外光子时易产热而影响电池的稳定性和使用寿命。采用光谱下转换技术将入射到电池表面的一个高能紫外光子转换为两个或多个可被电池吸收的较低能量的光子，不仅可以提高电池对紫外光子的光谱响应，还可以降低因吸收紫外光子对电池稳定性的影响，是拓展晶硅电池光谱响应的可行方法之一。
　　本论文以制备用于太阳能电池的下转换材料为目的，采用水热法合成YVO4基质荧光粉、YVO4∶Eu3+发光粉体以及YVO4∶Eu3+，Yb3+下转换荧光粉，并对实验中所制备荧光粉的微结构和光学性质进行了表征和分析。主要研究结果如下:
　　(1)水热反应温度的变化会明显改变晶格间的宏观应力。小的晶粒尺寸诱导大的晶格畸变，这归结于晶粒尺寸较小导致的表面效应增强。所制备的YVO4样品中声子振动主要来自于VO43-内部，另外还有Y-O键和O-H键的振动。与其他盐类化合物相比，YVO4晶体声子能量相对较小，适合做下转换基质材料。YVO4荧光粉较大的带隙宽度(3.8eV)导致其在紫外波段有好的光吸收性质。室温下样品的本征发光湮灭，可见光区出现VO43-的特征发射带。
　　(2)反应过程中添加表面活性剂可改善YVO4荧光粉颗粒间因小尺寸效应而导致的颗粒团聚现象。本课题中分别添加表面活性剂Na3cit，AO，Na2EDTA时，成功的合成出了规则的球状、方形纳米片状和立方柱状YVO4颗粒。Na3cit作为表面活性剂且cit3-∶Y3+=2∶1时，随着溶液pH值的提高，cit3-基团对YVO4晶体形貌控制的有效性逐步降低，样品的发光却逐步增强。酸性溶液中较高浓度的H+离子有利于cit3-基团在YVO4颗粒表面的有效吸附，有利于球状YVO4颗粒的生成，但过多非晶态的cit3-基团不能顺利除去导致严重湮灭了YVO4荧光粉本身优异的发光特性，而只呈现出cit3-基团的光致发射带。本论文通过退火的方式顺利除去了酸性条件下合成的YVO4荧光粉表面吸附的cit3-基团。随着退火温度的提高，cit3-基团逐渐以CO2和水蒸气的形式从荧光粉表面脱附，荧光粉颗粒逐渐变小，表面逐渐变得粗糙并有孔洞生成。高温退火有利于cit3-基团的脱附和YVO4的结晶。
　　(3)Eu3+与Yb3+在YVO4晶格内以替位式掺杂形式存在。YVO4∶Eu3+荧光粉随着Eu3+掺杂浓度的增加(1％，3％，5％，7％)，Eu3+的发光强度先增加后减小，在5％时达到最大。YVO4∶Eu3+，Yb3+荧光粉的光致发光谱中仍可观测到Eu3+较强的发光峰，但并未探测到Yb3+的发光峰。
　　(4)YVO4荧光粉的光致发光现象可归因于VO43-内部的能级跃迁，单掺Eu3+离子时，YVO4基质中VO43-首先吸收紫外波段的光子，并将大部分能量传递给Eu3+离子，使Eu3+离子被激发并跃迁发光，而VO43-的能级跃迁发射光相对很弱。双掺Eu3+和Yb3+离子时，被激发到高能态的Eu3+离子部分跃迁发光，部分通过声子辅助交叉弛豫过程或共合作能量传递过程将能量传递给Yb3+离子，使其发光。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 太阳能电池概论

1．1．1 太阳能电池原理及发展

1．1．2 太阳能电池研究中存在的问题

1．2 光谱转换过程

1．2．1 光谱转换的定义

1．2．2 光谱转换技术在太阳电池中的应用

1．3 本课题的主要研究内容

第二章 稀土下转换发光材料

2．1 稀土离子的光谱特征

2．2 稀土下转换发光原理

2．3 稀土下转换发光材料的类型

2．4 稀土下转换粉体材料的制备方法

2．4．1 高温固相法

2．4．2 低温燃烧法

2．4．3 溶胶凝胶法

2．4．4 水热法

2．5 稀土下转换粉体材料的表征手段

2．5．1 X射线衍射仪(XRD)

2．5．2 扫描电子显微镜(SEM)

2．5．3 拉曼光谱仪(Raman spectrometer)

2．5．4 紫外-可见-近红外分光光度计

2．5．5 傅里叶红外光谱仪(FT-IR)

2．5．6 荧光光谱仪

2．6 小结

第三章 YVO4基质材料的制备与表征

3．1 引言

3．2 水热反应温度(HRT)对YVO4荧光粉的微结构和发光特性的影响

3．2．1 样品制备

3．2．2 不同HRT下YVO4荧光粉的微结构和发光特性

3．3 柠檬酸钠(Na3cit)浓度YVO4，荧光粉的微结构和发光特性的影响

3．3．1 样品制备

3．3．2 不同Na3cit浓度条件下YVO4荧光粉的微结构和光学性质

3．4 退火温度对酸性环境下合成的YVO4荧光粉微结构和发光特性的影响

3．4．1 样品制备

3．4．2 不同退火温度条件下YVO4荧光粉的微结构和光学性质

3．5 反应溶液pH值对YVO4荧光粉的微结构和发光特性的影响

3．5．1 样品制备

3．5．2 不同溶液pH值条件下制备的YVO4荧光粉的微结构和光学特性

3．6 不同表面活性剂对YVO4荧光粉微结构的影响

3．6．1 样品制备

3．6．2 不同表面活性剂作用下制备的YVO4荧光粉的微结构的影响

3．7 小结

第四章 YVO4：Eu3+粉体发光材料以及YVO4：Eu3+，Yb3+下转换发光材料的制备与表征

4．1 YVO4：Eu3+粉体发光材料的制备及表征

4．1．1 样品制备

4．1．2 YVO4：Eu3+荧光粉的微结构和光学性质

4．2 YVO4：Eu3+，Yb3+下转换粉体发光材料的制备及表征

4．3 小结

第五章 结论与展望

5．1 主要结论

5．2 有待进一步解决的问题

参考文献

个人简历及硕士期间发表的论文

致谢