Tb3+/Eu3+共掺杂磷酸盐玻璃在增强太阳能电池发光性能方面的应用

李菁

（上海工程技术大学，上海 201620）

0.引言

太阳能电池由于前层的吸收和热化损失，在紫外和蓝色光谱范围内的响应较差。为了提高短波长范围的利用率，在太阳能电池的顶部应用发光下移层，将高能光子转换为低能光子，从而改善光谱响应[1,2]。Eu3+和Tb3+离子在近紫外光谱中表现出较宽的光激发，同时在可见光谱中表现出发射带，可以提供多种可选择的泵浦和发光波长。Tb3+或Eu3+单掺杂作为发光下移层已经在不同基体材料中进行了大量的研究[3-5]。但很少报道的Tb3+和Eu3+共掺杂材料[6,7]可以更有效地用于发光下移层。

本文研究了通过高温熔融和淬火技术制备Tb3+/Eu3+共掺杂透明磷酸盐玻璃。与Eu3+单掺杂相比，Tb3+/Eu3+共掺杂玻璃在622nm附近（Eu3+：5D0→7F2）的发射增强。结果表明，Tb3+/Eu3+共掺杂磷酸盐玻璃可应用于太阳能电池。

1.实验研究

本研究中使用的Tb3+/Eu3+共掺杂磷酸盐玻璃采用熔融淬火法制备，方法如下 ：48P2O5–40CaCO3–8Na2CO3–3Al2O3–1La2O3-xTb3+–yEu3+(x=1,y=0;x=0,y=1;x=1,y=1)。所有玻璃均使用高纯度SiO2(99.9%)、CaCO3(99.9%)、Na2CO3(99.9%)、Al2O3(99.9%)、La2O3(99.9%)、Eu2O3(99.9%)和Tb2O3(99.99%)制备作为原材料。每批约15g混合均匀，并在空气中的刚玉坩埚中于1250ºC下熔化1小时。将所得熔体倒入预热的黄铜板（约400ºC）中，然后用另一块黄铜板压制至约2mm的厚度。所有测量均在室温下进行，使用荧光光谱仪进行分辨率为1nm的激发和发射测量，光电倍增管作为检测器，氙灯（150W）作为激发源。

2.实验结果分析

图1描绘了掺杂有Tb3+、Eu3+和Tb3+/Eu3+的玻璃样品在300nm～500nm范围内的发射光谱。对于单个Tb3+掺杂玻璃，通过监测542nm处的发射，如图1(a)所示，激发带集中在320、380和486nm，这归因于7F6→5H7、7F6→5D3和7F6→5D4的跃迁。对于单一Eu3+掺杂玻璃，通过监测622nm的发射，如图1(b)所示，激发带集中在360、392和464nm，这归因于7F0→5D4、7F0→5L6和7F0→5D2的跃迁。Tb3+-Eu3+共掺杂玻璃样品的激发光谱如图1(c)所示。主要激发峰位于380、392、464和486nm，分别归因于7F6→5D3(Tb3+)、7F0→5L6(Eu3+)、7F0→ 5D2(Eu3+)和 7F6→ 5D4(Tb3+)跃迁[6]。

图1 激发光谱(a)单Tb3+；(b)单个 Eu3+；(c)Tb3+/Eu3+

图2显示了掺杂Tb3+、Eu3+和Tb3+/Eu3+的玻璃样品在500nm～650nm波长范围内的发射光谱。在380 nm(Tb3+:7F6→5D3)激发产生单个Tb3+掺杂玻璃中的发射光谱（见图2(a)），它表现出三个发射带，分别归因于5D4→7F5(545nm)、5D4→ 7F4(583nm)和 5D4→ 7F3(633nm)的跃迁。对于Eu3+单掺杂样品（图2（b）），在392nm激发下检测到以591和622nm为中心的两个宽发射带，这归因于5D0→7F1和5D0→7F2的跃迁。Tb3+/Eu3+共掺杂样品的发射光谱如图2(c)所示。在380nm处的激发对应于Tb3+：7F6→5D3的跃迁，在545、590和622nm处的三个宽发射带分别归因于5D4→7F5(Tb3+),5D0→7F1(Eu3+)和5D0→7F2(Eu3+)跃迁。

图2 发射光谱(a)单一Tb3+；(b)单个Eu3+；(c)Tb3+/Eu3+

图3所示为掺杂Tb3+、Eu3+和Tb3+/Eu3+的玻璃在500nm～650nm波长范围内的发射光谱。对于图3(a)中的Tb3+单掺杂样品，激发波长为486nm(Tb3+:7F6→5D4)，有一个强发射带和两个弱发射带，归因于5D4→7F5(545nm)、5D4→7F4(583nm)和5D4→7F3(633nm)的跃迁。对于图3(b)中的Eu3+，在464nm激发下发射光谱对应于7F0→5D2的跃迁，观测到以591和622nm为中心的两个宽发射带，这归因于5D0→7F1和5D0→7F2的跃迁。Tb3+/Eu3+共掺杂样品的发射光谱如图3(c)所示，在486nm激发（Tb3+：7F6→5D3）下，在545、591和622nm处测量了三个宽发射带，这源于5D4→7F5(Tb3+)、5D0→7F1(Eu3+)和5D0→7F2(Eu3+)的跃迁。

图3 发射光谱(a)单Tb3+；(b)单个Eu3+；(c)Tb3+/Eu3+

为了更清楚地了解Tb3+和Eu3+之间的ET机制，图4描绘了涉及ET过程的示意能级图。在380nm波长下，基态7F6的Tb3+离子被激发到5D3能级。5D3能级的部分离子通过5D4和5D3多重峰之间的窄能隙引起的非辐射弛豫过程弛豫到5D4能级。然后Tb3+离子在545、583 和633nm处显示三个发射带，分别对应于5D4→7F5、5D4→7F4和5D4→7F3的跃迁。

图4 Tb3+和Eu3+的能级示意图及其涉及的能量转移过程

3.结语

采用熔融淬火法，成功制备了Tb3+/Eu3+共掺杂磷酸盐玻璃。已经证明了共掺杂剂的有效降档，并且已经仔细研究了从Tb3+离子到Eu3+离子的能量转移。磷酸盐玻璃中Tb3+/Eu3+的主发射峰在545nm(Tb3+:5D4→7F5),591n m(Eu3+:5D0→7F1)和622nm(Eu3+:5D0→7F2)附近与太阳能电池的最佳光谱响应相匹配。结果表明，Tb3+/Eu3+共掺杂磷酸盐玻璃是一种很有前途的太阳能电池材料。