毕 业 论 文
题 目： 近红外量子剪裁效应的最新进展 学 院： 物理与电子工程学院
专 业： 物理学 毕业年限： 2011年 学生姓名： 南锦文 指导教师： 梁 玮
教务处教学科制 二○一一 年 月 日
近红外量子剪裁效应的最新进展
姓名：南锦文 指导老师：梁炜
届别：2011届 专业：物理学 班级：1班 学号：200772010123
摘要：量子剪裁效应的研究已经成为提高发光效率的一个潜在途径，很多研究者都开始致力于新型量子剪裁荧光材料的开发与研制工作。量子剪裁现象的实用价值已得到国内外的认可，把太阳能光谱中的可见光和紫外光转换为红外光的新的荧光体是目前发光材料研究的主要任务，它可以提高太阳能电池的效率及稳定性。近年来, 具有近红外量子剪裁效应的发光材料因其可对太阳光谱进行调制, 从而降低硅太阳电池热化效应而得到学界关注。本论文概述了研究量子剪裁效应的意义及原理，探讨了量子剪裁的能量传递体系及实现途经、量子剪裁荧光粉及近红外量子剪裁荧光粉的发展，最后探讨了近红外量子剪裁效应在太阳能电池中的潜在应用。
Abstract: The research of quantum cutting effect is considered as one of the potential ways to enhance luminescent efficiency. A certain amount of researchers have already applied themselves to the exploitation and research of new quantum clipping fluorescent materials. The practical value of quantum clipping has been approved at home and abroad. The main task of the study on luminescent material at present is to transform visible light and ultraviolet light of the solar spectrum to new phosphor of infrared light, which can improve the efficiency and stability of solar cells. The luminescent material which possesses the quality of near-infrared quantum clipping is getting more and more attention in this field, for it is capable of modulating the solar spectrum, so as to reduce the heating effect of silicon solar cells. This paper mainly provides an overview of the significance and some principles of quantum cutting effect research. In this paper, we discuss the energy transfer system and implementation method of quantum cutting as well as the development of both quantum cutting and near-infrared quantum cutting phosphors. We also
discuss the potential usage of near-infrared quantum cutting effect in solar cells.
关键词：量子剪裁，荧光粉，近红外，太阳能电池 引言: 量子剪裁（Quantum-cutting）, 又称为能量下转换（Down-conversion）, 是指在一个高能光子的激发下, 材料发射出多于一个光子的现象, 即量子效率大于 100％ 的现象。量子剪裁效应可用于绿色照明和等离子体电视的VUV光子激发的高效荧光粉；可用于高能物理研究和医学诊断的新型闪烁体；可用于光刻、光化学、激光生物等方面的高效、全固体VUV 激光材料等。量子剪裁发光材料就是一种理想的材料，最近几十年来已逐渐成为研究者关注的焦点。
量子剪裁效应能够通过一个单一发光中心或一个联合发光中心实现，实现的途径可以总结为以下三种:通过单一离子(single-ions)的能级跃迁实现量子剪裁过程；通过离子对(ion-Pairs)之间的能量传递实现量子剪裁过程；通过离子和基质之间的能量传递实现量子剪裁过程。传递和输运能量一般可分为: 再吸收、共振传递、籍助于截流子的能量输运、激子的能量传输。
对量子剪裁发光体系早期的研究主要集中在能够产生级联发射的单个稀土 离子上。70年代初，报道的在Pr3+离子掺杂的YF3中观察到了量子剪裁效应，在VUV(185nm)激发下其量子效率可达到140%左右。随后在2003年，报道了Pr3+离子掺杂的LuF3荧光粉，量子效率达到161%。同时也在Pr3+离子掺杂的氧化物体系(如SrAl12O9，LaMgB5O10，LaB3O6)中发现了量子剪裁现象。1999年，报道了一种新型的可见光量子剪裁荧光材料LiGdF4:Eu3+，其量子剪裁过程利用了Gd3+-Eu3+间能量传递，量子效率接近于200%。随着研究工作的深入,利用多种离子之间的能量传递过程则有可能成为实现量子剪裁的新途径。由此可见，要想使得量子剪裁效应有效的发生，就需要有两种或两种以上的稀土离子的合作能量传递，且这些稀土离子之间还要有光谱的重叠。最近几年对量子剪裁效应的研究也不再局限于可见光区域，己经开始拓展到近红外领域，不同于可见光量子剪裁荧光粉，近红外量子剪裁是指将一个可见光子转化为两个近红外光子，这样可以使这两个近红外光子得到充分地利用，避免了可见光子在向更低能量光子转化过程中的能量损失。
国际热点量子剪裁现象对于寻找更好的能量效率的发光材料是一个激动人
心的发展，因此在太阳能电池方面有较好的应用，可以提高太阳能电池的效率及其稳定性。近年来, 具有近红外量子剪裁效应的发光材料因其可对太阳光谱进行调制, 从而降低硅太阳电池热化效应而得到学界关注。
本文从量子剪裁的意义及量子剪裁的原理、目前实现量子剪裁过程的主要途径及其能量传递体系、量子剪裁荧光粉的发展过程、近红外量子剪裁荧光粉的研究、近红外量子剪裁效应在太阳能电池中的潜在效应几个方面概述研究了量子剪裁。
1、 研究量子剪裁的意义及量子剪裁的原理 1.1、研究量子剪裁的意义
近年来, 稀土离子在真空紫外范围(VUV)内光谱性质的研究越来越受到重视。这是因为不同的应用领域对这类在VUV区间光活性的材料有着强烈的需求。稀土元素由于其独特的电子层结构及物理化学性质而被广泛的应用于传统材料改性和新材料的开发研究中，目前对掺杂稀土元素的各种材料的研究已经深入到了现代科学技术的各个领域，包括光学、电子、磁学、原子能等[1-2]。例如可用于绿色照明和等离子体电视的VUV光子激发的高效荧光粉；可用于高能物理研究和医学诊断的新型闪烁体；可用于光刻、光化学、激光生物等方面的高效、全固体VUV 激光材料等[1]。真空紫外发光材料是一种由位于100-200nm范围内的真空紫外光激发的光致发光材料，能够将高能气体放电产生的真空紫外光光子转换成为可见光光子，近年来被广泛的应用于新兴的等离子平板显示器(PDP)和绿色照明(无汞荧光灯)，以及液晶显示(LCD)背光源等领域。然而，现有的真空紫外三基色荧光粉普遍存在发光效率相对较低的问题，这是由于在真空紫外(VUV)光子转化为可见光光子的过程中，只有20-30%的激发能量被有效的利用，大部分能量主要以热能形式损失掉了，使得其发光亮度优势无法体现，而且产品耗电量相对较高，影响了发光器件的性能及使用寿命，不能够很好地满足相关领域产品的应用要求，从而制约了等离子显示和绿色照明相关产业的发展。因此，开发新型的高量子效率的真空紫外发光材料具有重要的现实意义。在此基础上，考虑到能量转换过程中较高的损失率，若能够使一个高能的VUV光子转换成两个或多个低能的可见光光子(能量下转换过程)，就可以提高能量的有效利用率，从而提高发光量子效率，量子剪裁发光材料就是这样一种理想的材料，最近几十年来已逐渐成
为研究者关注的焦点[2]。 1.2、量子剪裁的原理
从新兴的绿色照明和等离子平板显示产业对发光材料的需求可以看出，寻求高的发光效率是荧光材料研究开发的首要目标。荧光粉的发光效率与其吸收效率和能量效率成正比关系，要提高发光效率，就是要提高材料的吸收效率和能量效率。
一直以来，低压汞灯是气体放电光源的重要应用方向，低压汞灯的发光材料 主要是将254nm和155nm的UV/VUV光转化为可见光。汞由于其高的放效率而被广泛应用于荧光灯等照明器件中，但是使用汞存在着一些严重的缺点，首先，汞蒸气是有毒的，它具有生物积累性，对人体健康有害，因此汞的用量必须最小化。另外，汞在常温下是液体，而在荧光照明中则需要用汞蒸气，所以开灯时需要一定的响应时间使汞先转变为蒸气，这就阻碍了含汞荧光灯在快速响应器件(诸如汽车的刹车灯)中的应用。基于此，开发无汞荧光灯成为照明行业目前关注的主要问题，无汞荧光灯中采用惰性气体放电代替汞蒸气放电，以达到绿色环保的目的。Xe气在惰性气体中的能量转化率是最高的，已报道Xe气的最高放电效率为65%，接近于汞的放电效率(75%)。Xe放电激发产生VUV辐射波长为147nm和172nm(二者的比率与Xe气的压强有关)。水银荧光灯中的荧光粉具有接近100％的量子效率，因此为了使采用惰性气体放电的无汞荧光灯具有竞争力，就应期望量子效率高于100％的VUV激发的发光材料，也就是每吸收一个VUV光子，发射不只一个可见光光子．这种现象就叫量子剪裁(或双光子发射，级联光子发射)。这样的发光材料被称为量子剪裁材料。理论上，这种双光子发射的过程是可能的，因为惰性气体放电产生的VUV光子有足够高的能量，可以转变为2个可见光光子的能量。Oskam 的研究组对比法国人Auzel提出的上转换概念，将这种复合体系的量子剪裁称之为下转换．最近几十年量子剪裁效应的研究已经成为提高发光效率的一个潜在途径，很多研究者都开始致力于新型量子剪裁荧光材料的开发与研制工作。 [2，3，
5]
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2、目前实现量子剪裁过程的主要途径及其能量传递体系
研究固体发光时，通常把发光过程分为三个阶段，即:激发、能量传输和发 光中心的发光。其中能量传输是指，发光材料受到外部激发后产生发射光以前的