[發明專利]寬波段光譜吸收上轉換紫外發光材料及其應用

有效

• 申請號: 201110285401.2
• 申請日: 2011-09-23
• 公開（公告）號: CN102311734A
• 公開（公告）日: 2012-01-11
• 發明（設計）人: 金旭東;王君;高敬群;尹麗暖
• 申請（專利權）人: 遼寧大學
• 主分類號: C09K11/77
• 分類號: C09K11/77;H01L31/055;C25B11/06;C25B1/04;B01J23/10;B01J23/06;B01J21/06;A62D3/176
• 代理公司: 沈陽杰克知識產權代理有限公司 21207
• 代理人: 金春華

技術領域

本發明屬于光轉換材料領域，具體地涉及一種可將太陽光中的可見光和紅外光最大限度地轉換為紫外光的多原子摻雜的寬波段光譜吸收上轉換紫外發光材料。

背景技術

能源短缺與環境污染是目前人類所面臨的兩大問題。隨著煤炭，石油和天然氣的大量開采和廣泛使用，非再生能源面臨著日漸枯竭的危險，同時也導致了環境的污染和生態平衡的破壞。而太陽能做為一種綠色能源卻是取之不盡，用之不竭的能源，不產生任何的環境污染，且基本上不受地理條件和環境的限制。因此太陽能利用技術研究引起了各國科學家的廣泛重視。開發和利用太陽能的兩個關鍵問題就是：提高太陽能轉換效率和降低材料與設備成本。如90年代發展起來的納米晶TiO₂太陽能電池，其優點就在于它廉價的成本和簡單的工藝及穩定的性能。因其制作成本僅為硅太陽能電池的1/5-1/10，已成為傳統太陽能電池的有力競爭對手。但納米TiO₂本身也有其不可克服的缺點和不足，主要是由于寬的禁帶寬度（Eg＝?3.2?eV），需要紫外光（λ＝?387?nm）激發，而太陽光中的大部分可見光和紅外光則不能被利用。另外就是光生電子-空穴的快速復合，也使太陽能的利用率大幅下降。

近年來，世界各國，特別是發達的歐美國家對太陽能的利用十分重視，投入了大量的人力和物力開展這方面的研究和應用。如太陽能電池，太陽能光解制氫和太陽能光催化治理環境污染等。太陽能電池，太陽能光解制氫和太陽能光催化治理環境污染的基本原理是相同的。太陽能電池的工作原理是利用光電轉換材料（如納米TiO₂薄膜等）吸收太陽光光能后發生光電轉換反應，進而獲得電能。太陽能光解水制氫是利用半導體材料（如納米TiO₂微晶等）在太陽光照射下產生的空穴和電子，通過水的氧化和還原反應獲得氫氣。太陽能光催化治理環境污染同樣是半導體材料（如納米TiO₂粉末等）在太陽光照射下產生的空穴和電子，直接或通過氧化水獲得的氫氧自由基（·OH）間接的破壞水中的有機污染物。

但在太陽能的利用中有一個致命的缺點，這就是經常可被使用的半導體材料（如TiO₂，ZnO和CdS等）。由于它們的能帶帶寬（Eg）較寬，只能吸收紫外光（UV?light）而被激發。遺憾的是在太陽光中，紫外光的成分相當低，只占4.0-5.0?%左右，大部分為紅外光（IR?light）（45?%）和可見光（Vis?light）（50?%）。這些長波長的光不足以激發作為半導體材料的TiO₂，ZnO和CdS等，導致太陽能的利用率極低。

為了使納米TiO₂更好的利用太陽能，在太陽能電池，太陽能光解制氫和太陽能降解有機污染物中發揮作用，科研工作者致力于解決的問題是：研制上轉換發光材料，最大限度地把太陽光中的紅外光（IR?light，infrared?light）和可見光（Vis?light，visible?light）轉變成紫外光（UV?light，ultraviolet?light），以滿足普通TiO₂（Eg約為3.2?eV）和納米TiO₂（Eg約為3.8?eV）對紫外光（UV?light）的需求和抑制光生電子-空穴的快速復合的需求。

發明內容

為了解決納米TiO₂，ZnO和CdS等作為太陽能電池光電轉換材料，太陽能光解制氫電極材料和太陽能降解有機污染物催化劑時，必須采用波長小于387?nm的紫外光照射的問題，本發明提供一種可把太陽光中的紅外光（IR?light）和可見光（Vis?light）最大限度地轉變成紫外光（UV?light）的寬波段光譜吸收上轉換紫外發光材料。采用本發明的上轉換紫外發光材料與納米TiO₂，ZnO和CdS復合，可以滿足納米TiO₂，ZnO和CdS等（能帶隙寬度Eg為3.2eV-4.5eV）對紫外光（UV?light）的需求。

本發明采用的技術方案是：寬波段光譜吸收上轉換紫外發光材料的化學分子式為Er³⁺:YAlO₃或Er³⁺:Y₃Al₅O₁₂。