納米核殼結構中寬頻敏化的量子裁剪效應及其光伏應用

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量子剪裁或下轉換是指發光材料吸收一個高能量光子後釋放出多個低能量光子的物理現象。具有量子裁剪效應的鑭系摻雜熒光材料已廣泛應用於太陽能電池、無汞燈、等離子體顯示等領域。近日，香港城市大學的王鋒團隊巧妙地設計了一種納米核殼結構，實現了Ce3+離子寬頻敏化的量子裁剪效應。他們將這種材料應用於光伏器件中，增強了硅太陽能電池對深紫外光的響應。

鑭系離子具有豐富的能級結構，是理想的量子裁剪材料。儘管研究人員已經發現Pr3+、Gd3+、Tm3+、Er3+、Ho3+、Nd3+、Yb3+等鑭系離子摻雜的發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+等作為敏化劑。由於4f-4f躍遷是宇稱禁戒的，這些敏化劑的吸收截面小、吸收帶寬窄，因此對激發能量的吸收很弱，由此也限制了其量子裁剪效應的實際應用。

針對這一問題，香港城市大學的王鋒教授團隊開發了一種Ce3+離子摻雜的具有量子剪裁效應的核殼結構納米材料。Ce3+離子具有寬頻吸收且吸收截面大的特點，能顯著增強對激發能量的吸收。他們採用NaGdF4作為基質，將Ce3+、Nd3+和Yb3+分別摻雜在核層和殼層，成功地抑制了鑭系離子間交叉馳豫引起的熒光猝滅。穩態光譜和熒光壽命研究表明，激發能量被核層的Ce3+離子吸收後能通過Gd3+的亞晶格遷移到殼層，高效轉移給Nd3+和Yb3+離子，實現可控的下轉換髮光。同時，在最外層通過外延生長包覆一層NaYF4惰性層可以有效地抑製表面淬滅效應，從而提高發光強度，實現高達87%的量子產率。

上述核殼結構納米顆粒具有高效地將紫外光轉換為可見光和近紅外光的能力，他們進而將這種材料應用於硅太陽能電池以提高太陽能電池的效率，還將納米顆粒均勻覆蓋在太陽能電池的表面，利用量子裁剪納米顆粒幫助太陽能電池吸收原本無法被電池利用的深紫外光，從而提高硅太陽能的光電轉換效率。與未經量子裁剪顆粒修飾的太陽能電池相比，實驗測得了1.2倍的短路電流以及1.4倍的電池能量轉換效率。另外，由於這種納米核殼結構具有極強的可設計性和擴展性，可以通過調節敏化層或者利用核殼結構將多種敏化劑結合在一起，從而進一步實現更寬頻激發的量子裁剪效應。

這一研究將提高人們利用稀土離子調控下轉換髮光光譜的能力，並為外太空的太陽發電或低成本短波長光子探測器的開發提供更多選擇。相關成果近期發表在The Journal of Physical Chemistry Letters上，文章的第一作者是香港城市大學的博士研究生孫天瀛。

該論文作者為：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

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

導師介紹

王鋒

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

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