太阳光谱的能量低且高能量区域的光子响应较弱，导致单结太阳能电池的效率出现瓶颈，其中，光谱失配损失是限制太阳能电池效率的主要因素。采用光谱转换材料可将低响应波段的光子转换为高响应波段的光子，从而减少太阳能的光谱失配损失。光谱转换材料包括上转换（UC）、下转移（DS）、量子剪裁（QC）发光材料。在UC过程中，多个能量低于太阳能电池带隙的光子被转换为能量更高的光子；在DS过程中，一个高能量的光子被转换成一个能量较低的光子；在QC过程中，一个高能量光子被转换为多个能量较低的光子。这些经光谱转换的光子可被太阳能电池高效利用，从而提高其能量转换效率。因此，总结了不同种类太阳能电池的光谱适配条件，详述了UC、DS和QC发光材料的最新研究进展，并展望了利用光谱转换材料提高太阳能电池效率的未来发展方向。

采用自蔓延燃烧法结合后期热处理手段制备得到了Y3+/Pr3+共掺杂的CaGdAlO4荧光粉材料.实验结果表明: 当用与Gd3+离子半径较近的Y3+来取代Gd3+时, Pr3+的光致发光强度增强, 使来自 Pr3+的4f-5d跃迁的吸收峰峰值位置发生了从261 nm至259 nm的蓝移.在确定 Y3+的最优浓度为50%, Pr3+的最优浓度为0.5%时, 进一步制备了Y3+/Pr3+/Yb3+共掺杂的CaGdAlO4荧光粉材料, 并实现 了从深紫外到近红外的量子剪裁.在Yb3+的浓度达到6%时, Yb3+位于980 nm的发射峰最强.经计算Y3+/Pr3+/Yb3+共掺杂的CaGdAlO4材料的量子剪裁效率约为168%, 优于Pr3+/Yb3+共掺杂的CaGdAlO4荧 光粉.此外, 在254 nm紫外光照射下, Y3+取代Gd3+的策略在一定程度上抑制了CaGdAlO4荧光粉材料的晶格热化现象.综上, 用价格更低的Y部分取代Gd, 可使CaGdAlO4: Pr3+/Yb3+荧光粉制备成本降 低, 并进一步优化其量子剪裁性能.该研究对硅空间太阳能电池的应用开发具有实际意义.

研究了纳米相氟氧化物玻璃陶瓷中Er3+Yb3+离子对的量子剪裁发光造成的强的光谱调制现象。 测量了Er3+Yb3+双掺纳米相氟氧化物玻璃陶瓷的X射线衍射谱、 表面形貌、 激发光谱、 吸收光谱、 和发光光谱； 而且也与Tb3+Yb3+双掺纳米相氟氧化物玻璃陶瓷的相对应的光谱参数进行了比较。 发现378 nm光激发样品(A) Er(1%)Yb(8.0%)∶FOV和样品(B) Er(0.5%)Yb(3.0%)∶FOV所导致的652.0 nm红色发光强度为522 nm光激发时的680.85倍和303.80倍； 我们还发现378 nm光激发所导致的样品(A) Er(1%)Yb(8.0%)∶FOV和样品(B) Er(0.5%)Yb(3.0%)∶FOV的 652.0 nm红色发光强度为样品(C) Er(0.5%)∶FOV 的491.05和184.12倍。 我们还发现在378 nm光激发时的样品(A) Er(1%)Yb(8.0%)∶FOV和样品(B) Er(0.5%)Yb(3.0%)∶FOV的{978.0和1 012.0 nm}红外发光强度依次分别为样品(C) Er(0.5%)∶FOV 的{58.00和293.62}倍和{25.11和 67.50}倍。 更进一步, 对于652.0 nm波长发光的激发谱, 发现(A) Er(1%)Yb(8.0%)∶FOV和(B) Er(0.5%)Yb(3.0%)∶FOV的378.5 nm激发谱峰强度是(C) Er(0.5%)∶FOV的大约606.02和199.83倍。 同时, 也发现样品(A) Er(1%)Yb(8.0%)∶FOV和样品(B) Er(0.5%)Yb(3.0%)∶FOV的一级量子剪裁红外1 012或978 nm发光强度为样品(D) Tb(0.7%)Yb(5.0%)∶FOV的二级量子剪裁红外976 nm发光强度的101.38和29.19倍。 发现的该量子剪裁是目前所报道的最强的量子剪裁。 因此, 相信所发现的氟氧化物纳米玻璃陶瓷中Er3+Yb3+离子对的一级量子剪裁发光是强的可以作为量子剪裁层应用到提高晶硅太阳能电池的发电效率。 研究结果也能加速对目前国际热点的下一代环保的光谱调制太阳能电池的探索。

以TeO2、ZnO、La2O3为基质制备了掺铒离子的碲酸盐发光玻璃,应用Judd-Ofelt(J-O)理论计算得到 光谱强度三参量,以及铒离子原子组态各个能级的跃迁辐射寿命、荧光分支比及积分发射截面。 发现积分发射截面较大(大于10-18 cm), 表明具有较好的激光发射特性。基于稀土离子4f能级的丰富性,分析了Er3+离子 能级之间 发生能级交叉弛豫的可能性,并指出了其在上转换和量子剪裁中的应用前景,为单掺与多掺稀土 离子碲酸盐发光玻璃的进一步应用提供了实验依据和理论参考。

研究了掺铒的氟氧化物玻璃陶瓷的双光子、 三光子与四光子近红外量子剪裁发光。 我们测量了掺铒的氟氧化物玻璃陶瓷的X 射线衍射谱、 吸收谱、 从可见到近红外的发光光谱与激发光谱。 当Er3+浓度从0.5%增加到2.0%, 发现铒离子的4I15/2→2G7/2, 4I15/2→4G9/2, 4I15/2→4G11/2, 4I15/2→2H9/2, 4I15/2→(4F3/2, 4F5/2), 4I15/2→4F7/2, 4I15/2→2H11/2, 4I15/2→4S3/2, 4I15/2→4F9/2, 与4I15/2→4I9/2红外激发谱峰的强度增加了大约5.64, 4.26, 2.77, 7.31, 6.76, 4.75, 2.40, 11.14, 2.88, 和4.61倍, 同时, 铒离子的4I15/2→2G7/2, 4I15/2→4G9/2, 4I15/2→4G11/2, 4I15/2→2H9/2, 4I15/2→(4F3/2, 4F5/2), 与4I15/2→4F7/2的可见激发谱峰的强度减小了1.36, 1.93, 3.43, 1.01, 2.24和2.28倍。 也就是说我们发现红外发光与激发的强度都增强了2～11倍, 与此相伴的可见的发光与激发强度都减小了一到三倍。 而且, 1 543.0与550.0 nm发光的激发谱不仅在峰值波长而且也在波峰形状上非常相近。 上述实验结果证实了所看到的现象为多光子近红外量子剪裁发光现象。 为了更好的分析量子剪裁的过程与机理, 还测量了主要的可见与红外发光强度随激发强度的改变； 发现所有可见和红外发光强度都基本上是随激发强度成线性变化关系； 其中, 可见的发光强度随激发强度的改变呈略大于线形一次幂的变化关系, 它是由于小的激发态吸收造成的； 而1 543.0 nm红外发光强度随激发强度的变化呈略小于线形一次幂的变化关系, 它即是量子剪裁发光的特征现象。 还发现4I9/2能级的双光子量子剪裁主要由{4I9/2→4I13/2, 4I15/2→4I13/2} ETr31-ETa01交叉能量传递所导致； 4S3/2能级的三光子量子剪裁主要由{4S3/2→4I9/2, 4I15/2→4I13/2} ETr53-ETa01和{4I9/2→4I13/2, 4I15/2→4I13/2} ETr31-ETa01交叉能量传递所导致； 2H9/2能级的四光子量子剪裁主要由{2H9/2→4I13/2, 4I15/2→4S3/2} ETr91-ETa05, {4S3/2→4I9/2, 4I15/2→4I13/2} ETr53-ETa01和{4I9/2→4I13/2, 4I15/2→4I13/2} ETr31-ETa01交叉能量传递所导致。 上述研究结果对目前的全球热点新一代量子剪裁太阳能电池很有价值。

测量了掺Er3+碲酸盐玻璃从紫外、可见到近红外的发光与激发光谱以及荧光寿命,发 现1532 nm红外光与550 nm可见光的激发谱在波峰形状与峰值波长方面很相近;当Er3+离子浓度从0.5%增 加到10%,可见发光与激发光谱强度减小,红外发光与激发光谱强度增强;寿命曲线展现出显著的能 量传递现象。研究结果表明所观察到的现象为近红外量子剪裁发光现象; 4I9/2、4F9/2、4S3/2与2H11/2 能级的双光子、双光子、三光子、三光子近红外量子剪裁效率上限值依次为193.8%、184.8%、277.9%与272.6%。

硅材料带隙与太阳光子光谱的失配导致了比较严重的光子损失, 大大降低了硅太阳能电池的效率。为了减少入射光子的损失, 可以利用具有近红外量子剪裁效应的光谱转换材料来提高硅太阳能电池的效率。本研究采用溶胶凝胶法制备了Sr3Al2O6∶Tb3+,Yb3+荧光粉, 并研究了其近红外量子剪裁效应。实验结果表明: 在320 nm的紫外光激发下, Sr3Al2O6∶Tb3+,Yb3+荧光粉发射出Tb3+:5D4→7Fj的可见光; 另外, 由于Tb3+、Yb3+离子之间的合作能量传递, 得到了Yb3+:7F5/2→7F7/2的近红外发光。荧光寿命衰减证明Tb3+到Yb3+之间的确存在合作能量传递, 而且存在量子剪裁效应, 其中, 能量传递效率为35.9%, 量子剪裁效率为135.9%。由于Yb3+的发射光谱与硅太阳能电池的吸收匹配, Sr3Al2O6∶Tb3+,Yb3+荧光粉有可能作为潜在的光谱转换材料应用于硅太阳能电池以提高其光电转换效率。

寻找新能源为全球目前面临着的重要课题, 其中最理想的新能源为太阳能。 近红外量子剪裁发光方法可以把硅或锗太阳能电池响应不够灵敏的大能量光子成倍的转换成为太阳能电池响应灵敏的小能量光子, 能够解决光谱失配的问题, 较大幅度的提高太阳能电池的效率。 很有意义。 报道了掺Tm3+Bi3+的铌酸钇磷光粉样品材料的近红外量子剪裁发光的浓度效应。 通过测量激发谱与发光谱, 发现Tm0.058Bi0.010Y0.932NbO4有很强的1 820.0 nm近红外量子剪裁发光; 进一步的分析发现, 它们是由交叉能量传递过程导致的多光子量子剪裁发光; 还发现了有着很强的Bi3+对Tm3+的敏化近红外量子剪裁发光, 302.0 nm光激发导致的Tm0.058Bi0.010Y0.932NbO4相对Tm0.005Y0.995NbO4的1 820.0 nm近红外量子剪裁发光的增强达到175.5倍。 该结果对探索多光子近红外量子剪裁锗太阳能电池比较有意义。

采用高温固相法制备了不同掺杂浓度的YAG∶1%Ce3+,x%Yb3+ (x=5,10,15,20,25)系列荧光粉。在450 nm蓝光激发下, 测试了样品的发射光谱, 得到了中心波长在550 nm的可见宽带发射(Ce3+: 5d→4f)和1 030 nm的近红外发射(Yb3+: 2F5/2→2F7/2)。可见和近红外发射强度随Yb3+掺杂浓度的变化表明Ce3+到Yb3+存在能量传递过程, 并得到Yb3+的猝灭浓度为15%。在低温条件下(80~300 K)测试YAG∶1%Ce3+,15%Yb3+样品的发射光谱和拉曼光谱, 通过对其量子剪裁发光温度特性的分析, 描述了基质声子在Ce3+到Yb3+的能量传递过程中起到的重要作用。