專利名稱：用于太陽(yáng)光譜調(diào)制的Pr/Yb摻雜氟化釔鋰單晶體及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于太陽(yáng)光譜調(diào)制的單晶體，具體涉及用于太陽(yáng)光譜調(diào)制的Pr/Yb摻雜氟化釔鋰單晶體及制備方法。
背景技術(shù)：
目前制作太陽(yáng)能電池的主要材料為單晶與多晶硅，通過硅材料的光伏效應(yīng)實(shí)現(xiàn)光能與電能的轉(zhuǎn)化，但硅太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率很低，目前市面光電轉(zhuǎn)換效率僅達(dá)到18%。這主要是由于太陽(yáng)光源中波長(zhǎng)小于400nm的紫外光和波長(zhǎng)大于IlOOnm的紅外光均無(wú)法得到有效吸收。硅材料對(duì)光的最大吸收在約lOOOnm，光譜調(diào)制技術(shù)通常有兩條技術(shù)路線一是吸收多個(gè)低能紅外光子發(fā)射一個(gè)高能光子的上轉(zhuǎn)換發(fā)光；二是吸收一個(gè)高能紫外光子發(fā)射兩個(gè)低能光子的下轉(zhuǎn)換發(fā)光，該現(xiàn)象又叫“量子剪裁”?！傲孔蛹舨谩毙?yīng)是一種高 效的下轉(zhuǎn)換效應(yīng)，其原理是通過發(fā)光離子之間的部分能量傳遞實(shí)現(xiàn)下轉(zhuǎn)換的新途徑。發(fā)光材料可以吸收一個(gè)真空紫外光子，由發(fā)光離子之間的能級(jí)躍遷達(dá)到能量傳遞的效果，最終實(shí)現(xiàn)輻射兩個(gè)光子的過程，故其量子效率理論上可以達(dá)到200%。因此，量子剪裁材料能實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)光譜的有效調(diào)制。現(xiàn)階段稀土離子摻雜的量子剪裁材料主要有熒光粉體和玻璃兩種材料，由于熒光粉體對(duì)太陽(yáng)光產(chǎn)生很大的散射作用，這成為制約其大規(guī)模實(shí)際應(yīng)用的最大瓶頸。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種能把紫外光高效率轉(zhuǎn)換成硅材料易吸收的紅外光，能有效實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)光譜調(diào)制的Pr/Yb摻雜氟化釔鋰單晶體及制備方法；該P(yáng)r/Yb摻雜單晶體具有優(yōu)秀的抗光輻照性能、機(jī)械性能、熱學(xué)性能、物化性能及光學(xué)透過性能。本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為用于太陽(yáng)光譜調(diào)制的Pr/Yb摻雜氟化釔鋰單晶體，該P(yáng)r/Yb摻雜氟化釔鋰單晶體的分子式為L(zhǎng)iY(1_x_y)YbxPryF4，其中O. 018 ^ X ^ O. 2，O. 001 ^ Y ^ O. 005。上述X為O. 06-0. 07，Yb3+的濃度達(dá)6 7mol%時(shí)，900-1 IOOnm波段紅外熒光最強(qiáng)，
Pr3+與Yb3+的能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)到約80%。上述Pr/Yb摻雜氟化釔鋰單晶體的制備方法，其步驟如下
a、將LiF、YF3、PrF3、YbF3 按摩爾百分比 51. 5% 46. 4 28. 2% 0. 12 O. 5% 1. 8 20%混合，置于碾磨器中，碾磨混合5 6h，得到均勻粉末的混合料；
b、將上述混合料置于舟形鉬金坩鍋中，再安裝于管式電阻爐的鉬金管道中，然后先用N2氣排除鉬金管道中的空氣，再在溫度750 815°C，通HF氣下，反應(yīng)處理I 5小時(shí)，反應(yīng)處理結(jié)束，關(guān)閉HF氣體與管式電阻爐，用N2氣清洗管道中殘留的HF氣體，得到多晶粉料；除去多晶粉料中含有的H2O與氟氧化物等雜質(zhì)，多晶粉料純度高；
C、將上述多晶粉料置于碾磨器磨成粉末，然后置于Pt坩堝中并壓實(shí)，密封Pt坩堝；密封就隔絕了空氣和水汽，使得晶體生長(zhǎng)過程中與空氣和水汽隔絕，使生長(zhǎng)的Pr/Yb摻雜LiYF4單晶體品質(zhì)高；
d、將密封的Pt坩堝置于硅鑰棒爐中，用坩堝下降法生長(zhǎng)晶體，生長(zhǎng)晶體的參數(shù)為爐體溫度為920 980°C，接種溫度為820 850°C，固液界面的溫度梯度為20 80°C，坩鍋下降速度為每小時(shí)O. 2 2毫米，晶體生長(zhǎng)結(jié)束后，以每小時(shí)20 80°C下降爐溫至室溫，得到Pr/Yb摻雜LiYF4單晶體，該P(yáng)r/Yb摻雜LiYF4單晶體的分子式為L(zhǎng)iY(1_x_y)YbxPryF4,其中 O. 018 彡 X 彡 O. 2，O. 001 彡 y 彡 O. 005。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于用于太陽(yáng)光譜調(diào)制的Pr/Yb摻雜氟化釔鋰單晶體及制備方法，LiYF4單晶體具有聲子能量低、300 - 5500nm寬波段光學(xué)透過性高、物化穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，在LiYF4晶體中同時(shí)摻入Pr3+與Yb3+離子，三價(jià)稀土離子取代Y3+離子的格位無(wú)需電荷補(bǔ)償，以及相比擬的離子半徑大小，可實(shí)現(xiàn)較大濃度的稀土離子摻雜，摻雜離子濃度Yb3+ ^ Pr3+，在480nm光的激發(fā)下，Pr3+離子會(huì)將能量轉(zhuǎn)移到Y(jié)b3+離子上，從而實(shí)現(xiàn)Pr3+離子吸收一個(gè)紫外480nm波長(zhǎng)的光子，Yb3+離子釋放出兩個(gè)約980nm波長(zhǎng)的近紅外光子，有效實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)光譜調(diào)制，獲得較高的發(fā)光效率，該P(yáng)r/Yb摻雜氟化釔鋰單晶體具有優(yōu)秀的抗光輻照性能、機(jī)械性能、熱學(xué)性能、物化性能及光學(xué)透過性能。該單晶體制備方法簡(jiǎn)單，單晶體純度高，品質(zhì)好。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。實(shí)施例I
將純度大于 99. 99% 的 LiF, YF3> PrF3> YbF3 按摩爾百分比 51. 5% :46. 4% :0. 3% :1. 8% 進(jìn)行混合，置于碾磨器中，碾磨混合5 6h，得到均勻粉末的混合料，混合料置于舟形鉬金坩鍋中，再安裝于管式電阻爐的鉬金管道中，然后先用N2氣排除鉬金管道中的空氣，再將爐體溫度逐漸升高至溫度750 815°C，通HF氣下，反應(yīng)處理2小時(shí)，反應(yīng)處理結(jié)束，處理過程中于HF尾氣用NaOH溶液吸收，關(guān)閉HF氣體與管式電阻爐，用N2氣清洗管道中殘留的HF氣體，逐漸冷卻至室溫，得到多晶粉料，多晶粉料置于碾磨器磨成粉末，然后置于Pt坩堝中并壓實(shí)，密封Pt坩堝，將密封的Pt坩堝置于硅鑰棒爐中，用坩堝下降法生長(zhǎng)晶體，生長(zhǎng)晶體的參數(shù)為爐體溫度為920 980°C，接種溫度為820 850°C，固液界面的溫度梯度為50 60°C，坩鍋下降速度為每小時(shí)O. 6 O. 7毫米，晶體生長(zhǎng)結(jié)束后，以每小時(shí)50 60°C下降爐溫至室溫，得到Pr/Yb摻雜LiYF4單晶體，該P(yáng)r/Yb摻雜LiYF4單晶體的分子式為L(zhǎng)iY(1_x_y)YbxPryF4,其中 X 約 O. 018，Y 約 O. 003，Pr3+ 與 Yb3+ 的轉(zhuǎn)換效率約 41. 07%, 900-1000nm 熒光強(qiáng)度60. 5。實(shí)施例2
與實(shí)施例I基本相同，所不同的只是LiF, YF3> PrF3> YbF3摩爾百分比51. 5% :42. 2% O. 3% :6%，反應(yīng)處理3小時(shí)，固液界面的溫度梯度為40 50°C，坩鍋下降速度為每小時(shí)
O.4 O. 5毫米，晶體生長(zhǎng)結(jié)束后，以每小時(shí)40 50°C下降爐溫至室溫，其中X約O. 06, Y約O. 003，Pr3+與Yb3+的轉(zhuǎn)換效率約75. 6%，900_1000nm熒光強(qiáng)度100。實(shí)施例3
與實(shí)施例I基本相同，所不同的只是LiF, YF3> PrF3> YbF3摩爾百分比51. 5% :36. 2% 0.3% :12%,反應(yīng)處理4小時(shí)，固液界面的溫度梯度為70 80°C，坩鍋下降速度為每小時(shí)
1.5 2毫米，晶體生長(zhǎng)結(jié)束后，以每小時(shí)70 80°C下降爐溫至室溫，其中X約O. 12，Y約O. 003，Pr3+ 與 Yb3+ 的轉(zhuǎn)換效率約 80. 4%，900_1000nm 熒光強(qiáng)度 40. 6。實(shí)施例4
與實(shí)施例I基本相同，所不同的只是LiF, YF3> PrF3> YbF3摩爾百分比51. 5% :28. 2% O. 3% 20. 0%，反應(yīng)處理5小時(shí)，固液界面的溫度梯度為20 30°C，坩鍋下降速度為每小時(shí)O. 2 O. 3毫米，晶體生長(zhǎng)結(jié)束后，以每小時(shí)20 30°C下降爐溫至室溫，其中X約O. 2，Y約O. 003，Pr3+與Yb3+的轉(zhuǎn)換效率約82. 5%，900_1000nm熒光強(qiáng)度12. 7。實(shí)施例5
與實(shí)施例I基本相同，所不同的只是LiF, YF3> PrF3> YbF3摩爾百分比51. 5% :42. 38% O. 12% :6. 0%，反應(yīng)處理I小時(shí)，固液界面的溫度梯度為30 40°C，坩鍋下降速度為每小時(shí)O. 5 O. 6毫米，晶體生長(zhǎng)結(jié)束后，以每小時(shí)60 65°C下降爐溫至室溫，其中X約O. 06，Y約 O. 0012，Pr3+ 與 Yb3+ 的轉(zhuǎn)換效率約 53. 05%，900_1000nm 熒光強(qiáng)度 40. 8。實(shí)施例6
與實(shí)施例I基本相同，所不同的只是LiF, YF3> PrF3> YbF3摩爾百分比51. 5% :42. 0% O. 5% :6. 0%，反應(yīng)處理4小時(shí)，固液界面的溫度梯度為30 40°C，坩鍋下降速度為每小時(shí)O. 8 I毫米，晶體生長(zhǎng)結(jié)束后，以每小時(shí)65 70°C下降爐溫至室溫，其中X約O. 06，Y約O. 005，Pr3+ 與 Yb3+ 的轉(zhuǎn)換效率約 65. 3%，900_1000nm 熒光強(qiáng)度 72. 4。
權(quán)利要求
1.用于太陽(yáng)光譜調(diào)制的Pr/Yb摻雜氟化釔鋰單晶體，其特征在于該P(yáng)r/Yb摻雜氟化釔鋰單晶體的分子式為 LiY(1_x_y) YbxPryF4，其中 O. 018 ^ O. 2，O. 001 ^ Y ^ O. 005。
2.如權(quán)利要求I所述的用于太陽(yáng)光譜調(diào)制的Pr/Yb摻雜氟化釔鋰單晶體，其特征在于所述 X 為 O. 06-0. 07。
3.權(quán)利要求I所述的用于太陽(yáng)光譜調(diào)制的Pr/Yb摻雜氟化釔鋰單晶體的制備方法，其特征在于步驟如下a、將LiF、YF3、PrF3、YbF3 按摩爾百分比 51. 5% 46. 4 28. 2% 0. 12 O. 5% 1. 8 20%混合，置于碾磨器中，碾磨混合5 6h，得到均勻粉末的混合料； b、將上述混合料置于舟形鉬金坩鍋中，再安裝于管式電阻爐的鉬金管道中，然后先用N2氣排除鉬金管道中的空氣，再在溫度750 815°C，通HF氣下，反應(yīng)處理I 5小時(shí)，反應(yīng)處理結(jié)束，關(guān)閉HF氣體與管式電阻爐，用N2氣清洗管道中殘留的HF氣體，得到多晶粉料； C、將上述多晶粉料置于碾磨器磨成粉末，然后置于Pt坩堝中并壓實(shí)，密封Pt坩堝； d、將密封的Pt坩堝置于硅鑰棒爐中，用坩堝下降法生長(zhǎng)晶體，生長(zhǎng)晶體的參數(shù)為爐體溫度為920 980°C，接種溫度為820 850°C，固液界面的溫度梯度為20 80°C，坩鍋 下降速度為每小時(shí)O. 2 2毫米，晶體生長(zhǎng)結(jié)束后，以每小時(shí)20 80°C下降爐溫至室溫，得到Pr/Yb摻雜LiYF4單晶體，該P(yáng)r/Yb摻雜LiYF4單晶體的分子式為L(zhǎng)iY(1_x_y)YbxPryF4,其中 O. 018 彡 X 彡 O. 2，O. 001 彡 y 彡 O. 005。
全文摘要
本發(fā)明公開了用于太陽(yáng)光譜調(diào)制的Pr/Yb摻雜氟化釔鋰單晶體及制備方法，LiYF4單晶體具有聲子能量低、寬波段光學(xué)透過性高、物化穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，在LiYF4晶體中同時(shí)摻入Pr3+與Yb3+離子，摻雜離子濃度Yb3+≥Pr3+，在480nm光的激發(fā)下，Pr3+離子會(huì)將能量轉(zhuǎn)移到Y(jié)b3+離子上，從而實(shí)現(xiàn)Pr3+離子吸收一個(gè)紫外480nm波長(zhǎng)的光子，Yb3+離子釋放出兩個(gè)約980nm波長(zhǎng)的近紅外光子，有效實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)光譜調(diào)制，獲得較高的發(fā)光效率，該P(yáng)r/Yb摻雜氟化釔鋰單晶體具有優(yōu)秀的抗光輻照性能、機(jī)械性能、熱學(xué)性能、物化性能及光學(xué)透過性能。該單晶體制備方法簡(jiǎn)單，單晶體純度高，品質(zhì)好。
文檔編號(hào)C30B11/00GK102817076SQ20121024373
公開日2012年12月12日 申請(qǐng)日期2012年7月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月16日
發(fā)明者夏海平, 胡建旭, 汪沛淵, 彭江濤, 張約品 申請(qǐng)人:寧波大學(xué)