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【物化】纳米核壳结构中宽带敏化的量子裁剪效应及其光伏应用

2018-02-04 X一MOL资讯

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量子剪裁或下转换是指发光材料吸收一个高能量光子后释放出多个低能量光子的物理现象。具有量子裁剪效应的镧系掺杂荧光材料已广泛应用于太阳能电池、无汞灯、等离子体显示等领域。近日,香港城市大学王锋团队巧妙地设计了一种纳米核壳结构,实现了Ce3+离子宽带敏化的量子裁剪效应。他们将这种材料应用于光伏器件中,增强了硅太阳能电池对深紫外光的响应


镧系离子具有丰富的能级结构,是理想的量子裁剪材料。尽管研究人员已经发现Pr3+、Gd3+、Tm3+、Er3+、Ho3+、Nd3+、Yb3+等镧系离子掺杂的发光材料具有高效的量子裁剪能力,但上述材料通常需要Tm3+、Tb3+、Pr3+等作为敏化剂。由于4f-4f跃迁是宇称禁戒的,这些敏化剂的吸收截面小、吸收带宽窄,因此对激发能量的吸收很弱,由此也限制了其量子裁剪效应的实际应用。


针对这一问题,香港城市大学的王锋教授团队开发了一种Ce3+离子掺杂的具有量子剪裁效应的核壳结构纳米材料。Ce3+离子具有宽带吸收且吸收截面大的特点,能显著增强对激发能量的吸收。他们采用NaGdF4作为基质,将Ce3+、Nd3+和Yb3+分别掺杂在核层和壳层,成功地抑制了镧系离子间交叉驰豫引起的荧光猝灭。稳态光谱和荧光寿命研究表明,激发能量被核层的Ce3+离子吸收后能通过Gd3+的亚晶格迁移到壳层,高效转移给Nd3+和Yb3+离子,实现可控的下转换发光。同时,在最外层通过外延生长包覆一层NaYF4惰性层可以有效地抑制表面淬灭效应,从而提高发光强度,实现高达87%的量子产率。


上述核壳结构纳米颗粒具有高效地将紫外光转换为可见光和近红外光的能力,他们进而将这种材料应用于硅太阳能电池以提高太阳能电池的效率,还将纳米颗粒均匀覆盖在太阳能电池的表面,利用量子裁剪纳米颗粒帮助太阳能电池吸收原本无法被电池利用的深紫外光,从而提高硅太阳能的光电转换效率。与未经量子裁剪颗粒修饰的太阳能电池相比,实验测得了1.2倍的短路电流以及1.4倍的电池能量转换效率。另外,由于这种纳米核壳结构具有极强的可设计性和扩展性,可以通过调节敏化层或者利用核壳结构将多种敏化剂结合在一起,从而进一步实现更宽带激发的量子裁剪效应。


这一研究将提高人们利用稀土离子调控下转换发光光谱的能力,并为外太空的太阳发电或低成本短波长光子探测器的开发提供更多选择。相关成果近期发表在The Journal of Physical Chemistry Letters 上,文章的第一作者是香港城市大学的博士研究生孙天瀛


该论文作者为:Tianying Sun, Xian Chen, Limin Jin, Ho-Wa Li, Bing Chen, Bo Fan, Bernard Moine, Xvsheng Qiao, Xianping Fan, Sai-Wing Tsang, Siu Fung Yu, Feng Wang

原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面):

Broadband Ce(III)-Sensitized Quantum Cutting in Core−Shell Nanoparticles: Mechanistic Investigation and Photovoltaic Application

J. Phys. Chem. Lett., 2017, 8, 5099, DOI: 10.1021/acs.jpclett.7b02245


导师介绍

王锋

http://www.x-mol.com/university/faculty/41640



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