[發明專利]理論量子產率大于1的下轉換發光透明玻璃陶瓷及其制備方法

無效

• 申請號: 201110403118.5
• 申請日: 2011-12-06
• 公開（公告）號: CN102491643A
• 公開（公告）日: 2012-06-13
• 發明（設計）人: 林航;陳大欽;余運龍;王元生
• 申請（專利權）人: 中國科學院福建物質結構研究所
• 主分類號: C03C10/16
• 分類號: C03C10/16;C03B32/02
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及固體發光材料領域，尤其是涉及一種理論量子產率大于1的近紅外量子剪裁下轉換發光透明玻璃陶瓷及其制備工藝。

技術背景

量子產率大于1的發光材料在等離子體顯示、無汞熒光燈管、和太陽能電池等領域具有廣闊的應用前景。量子剪裁是實現量子產率大于1的一種可行方法，它涉及一個高能光子分裂為兩個或多個低能光子的光學過程。目前，人們已利用具有豐富能級結構的稀土離子的組合實現了從一個真空紫外光子到兩個可見光子(例如Gd³⁺-Eu³⁺)或者一個紫外-藍光光子到兩個近紅外光子(例如Re³⁺-Yb³⁺，Re＝Tb，Pr，Nd，Er)的量子剪裁發光。近年來，量子剪裁發光的研究焦點正逐漸轉向近紅外區域，這是因為太陽電池在這一區域中具有最大的光譜響應，而有效的量子剪裁過程可以大大降低硅太陽電池的熱化能損。2005年，人們首次在Tb³⁺:Yb_xY_1-xPO₄粉體材料中觀察到基于Tb³⁺/Yb³⁺的近紅外量子剪裁現象。但是，由Tb³⁺至Yb³⁺的能量傳遞是一個二階過程，往往只有在Tb³⁺或Yb³⁺高濃度摻雜時才可能有效地進行，此時，Yb³⁺的發光強度將由于濃度猝滅效應而大大降低，這對在光伏器件上的應用非常不利。最近，Meijerink[Adv.Mater.21，3073(2009)]首次提出了基于Pr³⁺/Yb³⁺的一階量子剪裁機理，由于從Pr³⁺至Yb³⁺的能量傳遞是基于兩步共振的交叉弛豫過程，有效的近紅外量子剪裁可以在較低的Yb³⁺摻雜濃度下實現。

迄今為止，文獻報道的具有近紅外量子剪裁效應的材料基本上都是粉體，由于粉體對入射光散射嚴重，透明性差，限制了其在太陽電池上的實際應用。透明玻璃陶瓷由無機玻璃態材料發生部分晶化而得，是玻璃相與納米晶相的復合體，它綜合了晶體與玻璃材料的優點，可具有與晶體相近甚至更好的光學性能，而又有類似于玻璃材料制備技術簡單、成本低和可高濃度摻雜的明顯優勢；此外，透明玻璃陶瓷的力學性能和熱穩定性良好，與一般無機玻璃相近。本發明提出一種新型的含氟化釔納米晶透明玻璃陶瓷，并在其中實現了基于Ho³⁺/Yb³⁺稀土組合的高效一階近紅外量子剪裁發光。在一個藍色光子激發下，施主離子(Ho³⁺)和受主離子(Yb³⁺)將各自發射一個近紅外光子，發光量子產率大于1。由于透明無機玻璃陶瓷可以替代傳統的封裝玻璃與太陽電池耦合，該材料在降低硅太陽電池熱化能損、提高光電轉換效率方面具有重要應用前景。

發明內容

本發明提出一種Ho³⁺/Yb³⁺共摻的透明玻璃陶瓷的組分及其制備工藝，目的在于制備出結構穩定、具有高效一階近紅外量子剪裁下轉換發光特性的透明固體發光材料。

本發明的透明玻璃陶瓷的組分和摩爾百分含量如下：

SiO₂：40-60mol％；Al₂O₃：10-30mol％；YF₃：5-25mol％；NaF：5-15mol％；YbF₃：0.1-1mol％；HoF₃：0.05-0.2mol％(上述各組分含量之和為100mol％)。

本發明的技術方案如下：

將各種粉體原料按照一定組分配比稱量，混合并研磨后置于坩堝中，放入電阻爐中加熱到1300～1500℃后保溫2～5小時使之熔融，而后，將熔液取出并快速倒入銅模中成形得到前驅玻璃；將獲得的前驅玻璃在500℃退火2小時以消除內應力。對上述玻璃在670℃進行2～6小時等溫熱處理，使之發生部分晶化，便得到透明玻璃陶瓷。

制備過程中使用的坩堝可以是鉑金坩堝或剛玉坩堝。