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%。

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。

稀土材料的红外和可见量子剪裁对于寻找更好能量效率的发光材料来说都是一个激动人心的发展。发光效率的最大上限值能从100%提高到200%甚至更高。在第一代晶硅太阳能电池与第二代薄膜太阳能电池之后第三代的聚光太阳能电池已成为目前的重点发展方向。现在, 利用稀土材料的近红外量子剪裁发光效应有可能较好的解决太阳光谱与太阳能电池光电响应之间存在的光谱失配的问题, 因此有可能较大幅度的提高太阳能电池的发电效率, 因而具有重要的意义与价值。研究了钒酸钇晶体基质中Yb3+离子的近红外量子剪裁发光现象, 测量了从可见到红外的钒酸钇晶体的发光谱、激发谱与荧光寿命, 测量发现钒酸钇晶体基质能带在约322.0 nm光激发时能导致有效的从钒酸钇晶体基质到Yb3+离子的二级合作能量传递, 进而导致了很强的Yb3+离子的985.5 nm 2F5/2→2F7/2的近红外量子剪裁发光, 同时, 钒酸钇晶体基质的位于430.0 nm的发光强度大幅降低。测量发现: (A) Yb(1.5)∶YVO4晶体的430.0 nm的荧光寿命值为τA=3.785 μs;(B) YVO4晶体的430.0 nm的荧光寿命值为τB=22.72 μs;研究计算发现总的理论量子剪裁效率上限值为η1.5%Yb=183.3%。

采用共沉淀法制备了Y2O3∶Tb3+和Y2O3∶Tb3+, Yb3+两种样品。 通过扫描电子显微镜(SEM)、 透射电子显微镜（TEM）、 X射线衍射仪（XRD）和荧光光谱仪分析和测试了样品的形貌、 微结构和室温下的荧光光谱, 得到了不同掺杂浓度、 退火温度、 溶液pH值下Y2O3∶Tb3+的最优工艺制备条件: Tb3+浓度1.5%、 退火温度1 400 ℃、 溶液偏碱性环境下, 样品在300 nm光激发下于543 nm处有最大绿光发射。 详细分析了Tb3+能级结构和跃迁属性与实验光谱的对应关系, 阐述了工艺条件的影响机理和主要影响样品发光的荧光猝灭效应。 制备的Y2O3∶Tb3+, Yb3+粉体, 敏化离子Tb3+与激活离子Yb3+间存在能量传递过程, 使样品在近红外区有可观的发光, 从能级角度对两离子间的合作下转换发光过程进行了描述, 同样分析了该体系下的荧光猝灭过程。 实验证明近红外量子剪裁可有效提高掺杂离子的发光效率, 在硅太阳能电池等领域有广阔的应用前景。

近红外量子剪裁能够有效地提高硅太阳能电池的效率。稀土元素种类繁多,能级丰富,常被 用于制作近红外量子剪裁发光材料。研究者们用适当的方法制成发光材料之后,测量材料的吸收光谱, 激发光谱和发射光谱。根据这些数据计算得到材料的量子效率。其中Tb3 +-Yb3 + 离子对备受关注。 Tb3 + 吸收紫外-可见光,通过协同能量传递把能量传递给Yb3 + 离子。Yb3 + 离子跃迁辐射出1000 nm左右的近红外光。 该波段的光子能够被硅太阳能电池吸收利用。Tb3 +-Yb3 + 离子对在不同掺杂浓度,不同基质中得到的量子效率不同。

采用高温固相法合成了Tb3+、Yb3+共掺杂的BaGd2ZnO5荧光粉。XRD测量数据表明合成的样品为纯相。在Tb3+特征激发(297 nm)下得到了Yb3+的特征发射(977 nm), 并且对Tb3+与Yb3+能级图进行分析, 证明Tb3+到Yb3+为合作能量传递。测量了不同Yb3+浓度下Tb3+的5D4能级(544 nm)的发光寿命曲线, 计算得到Tb3+与Yb3+的能量传递效率和量子效率, 最高量子效率为125.5%。Yb3+的发射与硅太阳能电池的吸收匹配, 该材料有可能应用于硅太阳能电池以提高其转换效率。

分别对五磷酸盐非晶材料(ErP5O14)在979.3, 803.8， 521.8， 450.0, 405.5和378.5 nm等光激发下所有能级的动力学过程在改进能量传递理论前后进行了数值模拟比较。 结果发现， 应用改进后的能量传递速率进行计算模拟的结果才是合理的， 其中在521.8， 450.0和378.5 nm光激发ErP5O14非晶时， 4I13/2→4I15/2和4I11/2→4I15/2跃迁的相对荧光强度的比值分别是979.3 nm光激发的2.11倍， 2.82倍和2.99倍， 均存在有效的4I13/2→4I15/2跃迁的红外量子剪裁效应。 该研究对于提高锗太阳能电池的转换效率具有潜在的应用前景。

采用共沉淀法合成了LaF3∶Ho3+,Yb3+ 红外下转换材料, 研究了室温下该材料的激发光谱、发射光谱特性和发光的时间衰减曲线。在LaF3∶Ho3+,Yb3+ 粉末中, 观察到了Ho3+ 到Yb3+ 的能量传递, 并通过分析确认了其为共振能量传递。通过Ho3+ 到Yb3+ 的共振能量传递过程, 可以将材料吸收一个300～360 nm波段的紫外光子转化为两个波长在1 μm附近的红外光子。Yb3+ 的发射正好与硅太阳能电池的吸收匹配, 材料中的这一红外下转换现象对于提高硅太阳能电池的效率具有积极意义。