[發(fā)明專利]一種基于稀土摻雜材料的紅外誘導(dǎo)熱輻射的增效方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201711079804.5
• 申請(qǐng)日: 2017-11-06
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN107815311B
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-11-03
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉祿;孫梓淞;唐東陽(yáng);肖璐穎;王冉
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 哈爾濱工程大學(xué)
• 主分類號(hào): C09K11/67
• 分類號(hào): C09K11/67;C09K11/78;H01G9/20
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本發(fā)明公開(kāi)了一種基于稀土摻雜材料的紅外誘導(dǎo)熱輻射的增效方法，稀土離子摻雜氧化物由于具有較強(qiáng)的紅外吸收能力、較高的熔點(diǎn)、較低的熱導(dǎo)率，是目前公認(rèn)的高效紅外激光誘導(dǎo)熱輻射材料。本發(fā)明在稀土摻雜氧化物材料中引入理離子，降低稀土離子局域晶場(chǎng)的對(duì)稱性，因而可以增強(qiáng)稀土離子對(duì)紅外激光的吸收能力，進(jìn)而改善稀土摻雜氧化物材料的紅外激光誘導(dǎo)熱輻射的效率。本發(fā)明具有成本低廉、操作簡(jiǎn)單、效果顯著等優(yōu)點(diǎn)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明是一種基于稀土摻雜材料的紅外誘導(dǎo)熱輻射的增效方法，具體涉及雜質(zhì)改性及熱輻射性能，屬于光學(xué)與材料科學(xué)的交叉學(xué)科。

背景技術(shù)

由于具有優(yōu)越的可再生能力以及對(duì)環(huán)境友好的特性，太陽(yáng)能占未來(lái)能量的主導(dǎo)地位。在捕獲太陽(yáng)光能量的各種方式中，太陽(yáng)能電池將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能引起廣泛關(guān)注。太陽(yáng)能電池主要包括硅太陽(yáng)能電池和染料敏化太陽(yáng)能電池兩類，其中硅太陽(yáng)能電池盡管效率較高，但高昂的成本阻礙了它的發(fā)展。染料敏化太陽(yáng)能電池的成本低、壽命長(zhǎng)，可彌補(bǔ)硅太陽(yáng)能電池的缺陷，但是其效率只有10％左右，成為制約其發(fā)展的主要瓶頸。

上轉(zhuǎn)換現(xiàn)象是發(fā)光物質(zhì)吸收低能量的近紅外光子產(chǎn)生高能量可見(jiàn)光子的過(guò)程，由于傳統(tǒng)太陽(yáng)能電池?zé)o法利用的紅外輻射波段能量占比很大，所以將上轉(zhuǎn)換材料用于染料敏化太陽(yáng)能電池能夠提高其光電轉(zhuǎn)化效率。

之前關(guān)于稀土離子的上轉(zhuǎn)換研究主要基于多光子上轉(zhuǎn)換過(guò)程：即稀土離子吸收多個(gè)入射的近紅外光子，通過(guò)激發(fā)態(tài)吸收或能量傳遞過(guò)程躍遷至較高能級(jí)后自發(fā)輻射產(chǎn)生熒光。

最近，北京大學(xué)的嚴(yán)純?nèi)A院士課題組發(fā)現(xiàn)高濃度Yb³⁺摻雜ZrO₂的紅外光誘導(dǎo)熱輻射中上轉(zhuǎn)換效率可達(dá)16％(顯著高于當(dāng)前被普遍研究的稀土摻雜材料的多光子上轉(zhuǎn)換熒光效率)，并且證實(shí)了這種熱輻射可以用于太陽(yáng)能電池驅(qū)動(dòng)的光電器件(Nat.Commun.5，2014，5669)。紅外誘導(dǎo)熱輻射的原理是：利用稀土離子吸收入射的紅外波段能量轉(zhuǎn)化為熱量，通過(guò)提高樣品溫度來(lái)激發(fā)高效的熱輻射。紅外誘導(dǎo)熱輻射材料選用高濃度Yb³⁺摻雜ZrO₂的原因在于其具備較強(qiáng)的紅外光子吸收能力、較高的熔點(diǎn)和較低的熱導(dǎo)率，換言之，即能夠?qū)⑷肷涞募t外光高效地轉(zhuǎn)化為光斑處的熱量從而產(chǎn)生較強(qiáng)的熱輻射。

為了推動(dòng)紅外誘導(dǎo)熱輻射在染料敏化太陽(yáng)能電池上的應(yīng)用，進(jìn)一步提高熱輻射上轉(zhuǎn)換材料的效率具有較大的應(yīng)用價(jià)值。本發(fā)明公開(kāi)了一種成本低廉、操作簡(jiǎn)單、且具有一定普適性的改善稀土摻雜材料的紅外誘導(dǎo)熱輻射效率的方法，以改善當(dāng)前染料敏化太陽(yáng)能電池效率低下的問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的主要目的在于提供一種成本低廉且簡(jiǎn)單易行的提高稀土摻雜材料中紅外誘導(dǎo)熱輻射效率的方法。具體為在稀土離子摻雜氧化物材料中引入鋰離子，通過(guò)其對(duì)稀土離子局域結(jié)構(gòu)的影響來(lái)改善其熱輻射效率。

本發(fā)明通過(guò)如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種基于稀土摻雜材料的紅外誘導(dǎo)熱輻射的增效方法，將鋰離子引入到稀土摻雜氧化物基質(zhì)材料當(dāng)中，增強(qiáng)稀土離子對(duì)入射紅外光子的吸收能力，合成具有高效紅外誘導(dǎo)熱輻射性能的稀土與雜質(zhì)共摻雜氧化物粉體材料。

所述的稀土摻雜紅外誘導(dǎo)熱輻射材料中引入鋰離子。

熱輻射材料采用溶膠-凝膠法、固相反應(yīng)等方法合成。

通過(guò)引入鋰離子，降低稀土離子周?chē)钟蚓?chǎng)對(duì)稱性，增大其對(duì)近紅外入射光子的吸收能力。

所述的鋰離子降低晶場(chǎng)對(duì)稱性的原理在于其與基質(zhì)陽(yáng)離子半徑或價(jià)態(tài)的失配導(dǎo)致晶格畸變。

所述的稀土種類為Yb³⁺、Nd³⁺等具有較大紅外吸收截面的離子。

所述的氧化物基質(zhì)材料為氧化鋯、氧化釔、氧化鐿、氧化鈰等具有較高熔點(diǎn)、較低熱導(dǎo)率，并且適于稀土摻雜的氧化物材料。采用980nm或808nm等紅外激光作為入射光源。