太阳能电池下转换材料铕掺杂钒酸钇纳米粉体的制备方法

摘要

一种太阳能电池下转换材料YVO

说明书

技术领域

本发明涉及一种铕掺杂的钒酸钇（YVO₄:Eu³⁺）纳米粉体的制备方法，该YVO₄:Eu³⁺纳米粉体用作太阳能电池下转换材料。

背景技术

太阳能作为一种可以解决化石燃料枯竭和地球环境问题的绿色能源越来越受到世界的关注。目前广泛使用的硅基太阳能电池的实际光电转换效率约为15%。如何充分、合理的利用太阳光，并且提高硅基太阳能电池的光电转换效率称为当前广泛关注的问题之一。而硅太阳能电池对不同波段光波的光谱响应是不同的，最大光谱响应在1000nm左右，而对于300-500nm的短波长的太阳光光谱响应很弱，因此如果能把短波长的光转换为可见波段的光，硅太阳能电池的光电转换效率就会得到提升。

钒酸钇（YVO₄）是一种非常著名的材料，其化学稳定性，热稳定性都很好，且不易潮解，同时，钒酸钇基质在紫外区有较强的吸收并能将能量很有效的传递给掺杂的激活离子，进而发出激活离子的特征光谱，可用于制备较好的太阳能电池下转换材料。而YVO₄又是激活剂离子铕离子（Eu³⁺）性能优良的基质材料，能将吸收的紫外能量有效的传递给Eu³⁺离子，使Eu³⁺发生跃迁，使其发出红光（619nm），且量子效率高达70%。

目前YVO₄:Eu³⁺纳米粉体的制备方法主要有溶胶-凝胶法、高温烧结法、化学共沉淀法、气相反应法、微乳液法、水热法和微波法等。溶胶-凝胶法的基本原理是将金属醇盐或无机盐在某种溶剂中经水解反应形成溶胶，然后使溶质聚合凝胶化，再将凝胶干燥、煅烧去除有机成分，最后得到无机材料。此法因工艺简单，设备需求简单而得到广泛应用。该方法的主要优点有：（1）各组分混合均匀性好，反应温度低，节省能源，同时纯度高；（2）起始反应物活性高，合成出的发光体发光效率高；（3）降低了能量在传递过程中向猝灭中心的传递几率，从而提高样品的猝灭浓度和发光强度，从而使下转换效率较高。

传统溶胶-凝胶法制备YVO₄:Eu³⁺纳米粉体过程中，溶胶的酸碱度难以控制，导致制备所制备的粉体颗粒大小不均匀。

发明内容

因此，为克服上述缺点，本发明提供一种铕掺杂的钒酸钇（YVO₄:Eu³⁺）纳米粉体的制备方法。

一种太阳能电池下转换材料YVO₄:Eu³⁺纳米粉体的制备方法，其包括以下步骤：秤取摩尔比为1:1的三氧化二钇（Y₂O₃）和三氧化二铕（Eu₂O₃），混合后加入至硝酸中，使Y₂O₃和Eu₂O₃溶解后得到澄清的溶液，该澄清溶液中的金属离子为钇离子和铕离子；向所述澄清的溶液中加入偏钒酸铵（NH₄VO₃），偏钒酸铵与金属离子的摩尔比为1:1；加入柠檬酸溶液，柠檬酸溶液的浓度为1.4～1.6摩尔/升，使柠檬酸与金属离子的摩尔比为2:1；量取定量的氨水，将该定量的氨水缓慢加入之含有柠檬酸的溶液中；加入一定量的分散剂，陈化一段时间得到溶胶；以及，将凝胶加热得到干凝胶，研磨干凝胶后得到YVO₄:Eu³⁺纳米粉体。

相对于现有技术，本发明所提供的YVO₄:Eu³⁺纳米粉体的制备方法中，通过加入浓度为1.4～1.6摩尔/升的柠檬酸溶液，控制柠檬酸溶液中水的含量，可以获得粒度均匀的YVO₄:Eu³⁺纳米粉体。同时，通过直接加入定量的氨水调节PH值，无需反复测量溶液的PH值，使整个制备过程操作简单。

附图说明

图1为直接加入柠檬酸颗粒制备出的YVO₄:Eu³⁺纳米粉体扫描电镜照片。

图2为本发明提供的YVO₄:Eu³⁺纳米粉体制备方法所制备出的YVO₄:Eu³⁺纳米粉体的扫描电镜照片。

图3为本发明实施例所提供的YVO₄:Eu³⁺纳米粉体制备方法采用不同浓度的柠檬酸溶液所制备出的YVO₄:Eu³⁺纳米粉体与直接加入柠檬酸颗粒所制备出的YVO₄:Eu³⁺纳米粉体的X射线衍射谱图（XRD）。

图4为图3中XRD谱图中最强峰的强度对比图。

图5为本发明实施例所提供的YVO₄:Eu³⁺纳米粉体制备方法所制备出的YVO₄:Eu³⁺纳米粉体与直接加入柠檬酸颗粒所制备出的YVO₄:Eu³⁺纳米粉体的发光强度对比图。

具体实施方式

请参见图1，本发明提供一种YVO₄:Eu³⁺纳米粉体的制备方法，其包括以下步骤：

S1：秤取摩尔比为1:1的三氧化二钇（Y₂O₃）和三氧化二铕（Eu₂O₃），混合后加入至酸溶液中，使Y₂O₃和Eu₂O₃溶解后得到澄清的盐溶液，该澄清盐溶液中的金属离子为钇离子和铕离子；

S2：向所述澄清的溶液中加入偏钒酸铵（NH₄VO₃），偏钒酸铵与金属离子的摩尔比为1:1；

S3：加入柠檬酸溶液，柠檬酸溶液的浓度为1.4～1.6摩尔/升，使柠檬酸与金属离子的摩尔比为2:1；

S4：量取定量的氨水，将该定量的氨水缓慢加入之含有柠檬酸的溶液中；以及

S5：加入一定量的分散剂，陈化一段时间得到溶胶，将凝胶加热得到干凝胶，研磨干凝胶后得到YVO₄:Eu³⁺纳米粉体。

在步骤S1中，所述酸溶液为可以溶解三氧化二钇（Y₂O₃）和三氧化二铕（Eu₂O₃）得到澄清盐溶液的酸溶液，本实施例中采用硝酸。按照摩尔比准确称取三氧化二钇（Y₂O₃）和三氧化二铕（Eu₂O₃）粉末，将两者混合均匀后，加入一硝酸溶液中。硝酸溶液为一烯硝酸溶液，其质量浓度为30%～40%。本实施例中的硝酸溶液是通过稀释质量浓度为65%硝酸溶液获得，即通过向20ml的质量浓度为65%的硝酸中加入20ml去离子水得到的稀硝酸。将Y₂O₃和Eu₂O₃加入至硝酸溶液中之后，为使其快速溶解，将溶液放在温度为60℃恒温水浴锅加热，并进行磁力搅拌。加热保温50～70分钟，直至Y₂O₃和Eu₂O₃充分溶解，溶液由乳白色变为透明澄清的溶液。Y₂O₃和Eu₂O₃在硝酸充分溶解后，形成了硝酸盐。硝酸盐中的金属离子即为钇离子和铕离子。

在步骤S2中，称取一定质量的偏钒酸铵（NH₄VO₃）粉末，保证偏钒酸根离子浓度和金属离子的摩尔比为1：1。将偏钒酸铵加入到S1中制备的溶液中，在60℃的温度下加热保温30分钟，并进行搅拌。直到溶液由褐色变为蓝色透明澄清的溶液。

在步骤S3中，随后称取一定质量的柠檬酸，配制成浓度为1.3mol/L～1.6mol/L的溶液。量取一定量的上述浓度的柠檬酸溶液，柠檬酸溶液的体积保证柠檬酸与金属离子的摩尔比为2：1。将柠檬酸溶液加入到步骤S2中制备的溶液中作为络合剂，继续加热搅拌，加热的温度为50～70℃。本发明中，柠檬酸是以溶液的形式加入至反应体系中，相对于现有技术中直接加入柠檬酸颗粒而言，加热柠檬酸溶液可以使最后得到的YVO₄:Eu³⁺纳米粉体中颗粒的粒度更加均匀。请参见图1及图2，与直接加入柠檬酸颗粒相比，当加入柠檬酸溶液时，得到的YVO₄:Eu³⁺纳米粉体中颗粒的大小更加均匀。而当柠檬酸的浓度控制在1.3mol/L～1.6mol/L时，YVO₄:Eu³⁺纳米粉体中颗粒的粒度均匀性更进一步提高，结晶度也进一步提高。为了更加清楚的说明不同浓度的柠檬酸溶液对产物YVO₄:Eu³⁺纳米粉体，分别采用浓度为1.0mol/L、1.5mol/L、2.0mol/L的柠檬酸水溶液以及直接加入柠檬酸颗粒，进行对比试验。结果发现，当柠檬酸的浓度为1.5mol/L时，所得到的YVO₄:Eu³⁺纳米粉体的结晶度最高，具体请参见图3及图4，发光强度也最高，具体请参见图5。因此，当柠檬酸的浓度为1.5mol/L时，所得到的YVO₄:Eu³⁺纳米粉体应用在太阳能电池上时，电池的转化效率较高。

本发明所提供的YVO₄:Eu³⁺纳米粉体的制备方法中，由于柠檬酸水溶液的加入，柠檬酸溶液中含有水，水的加入直接导致后续反应中溶胶的形成时间不同，从而影响了最终产物YVO₄:Eu³⁺纳米粉体粒度，使其更加均匀。同时，柠檬酸的浓度不同即所添加水的量不同，添加水量不同直接导致溶胶形成的时间不同，也就会导致制备溶胶的效果不一样，所以制备出来的纳米粒子的粒度更加的均匀。

在步骤S4中，分别量取定量的氨水，使用蠕动泵将该定量的氨水缓慢加入到步骤S3中所制备的溶液中，继续加热搅拌。步骤S1中所加入的硝酸溶液中，硝酸的摩尔量为n摩尔，本步骤中，所加入的氨水的量为50n～55n毫升。本实施例中，加入15毫升的氨水，调节之后的PH值为5。氨水的作用为调节PH值。本发明中，通过直接加入定量的氨水，即可获得反应体系所需要的PH值，无需在反应中反复测量PH值。

步骤S5具体包括以下步骤：S51：称取一定质量的分散剂加入步骤S4得到的溶液中，持续搅拌直到得到透明的YVO₄:Eu³⁺前驱溶液；S52：将该YVO₄:Eu³⁺前驱溶液陈化一段时间后得到溶胶；S53：将溶胶至于温度为60～80℃的干燥箱中干燥一段时间得到干凝胶；以及S54：将干凝胶在600～900℃的高温下保温4～6小时后，研磨得到YVO₄:Eu³⁺纳米分体。本实施例中，将聚乙二醇作为分散剂，缓慢加入到步骤S4得到的无机盐溶液中，持续搅拌3小时。在此过程中，溶液由蓝色逐渐变为绿色，最终制得绿色透明的YVO₄:Eu³⁺前驱溶液。将该前驱溶液陈化两天后，得到溶胶。将溶胶置于80℃干燥箱中干燥15小时，得到干凝胶。干凝胶在800℃高温下保温5小时，研磨之后即得所需要的纳米粉体。另外，优选地，聚乙二醇的分子量为2000，当聚乙二醇的分子量为2000时，也可以进一步提高YVO₄:Eu³⁺纳米分体中纳米颗粒粒度的均匀性。

本发明所提供的YVO₄:Eu³⁺纳米粉体的制备方法中，通过加入浓度为1.4～1.6摩尔/升的柠檬酸溶液，控制柠檬酸溶液中水的含量，可以获得粒度均匀的YVO₄:Eu³⁺纳米粉体。同时，通过直接加入定量的氨水调节PH值，无需反复测量溶液的PH值，使整个制备过程操作简单。本发明所提供的YVO₄:Eu³⁺纳米粉体的制备方法所制备出的YVO₄:Eu³⁺纳米粉体，可应用于太阳能电池的下转换材料，有利于提高太阳能的转换效率。

另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其他变化，当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。