分 类 号 ： 密 级 ：U D C： 编 号 ：学 位 论 文提高上转换材料光-光转换效率的研究佟建波指 导 教 师 姓 名 ： 张存善 教 授 河 北 工 业 大 学张晓丹 教 授 南 开 大 学申 请 学 位 级 别 ： 硕 士 学科、专业名称： 物 理 电 子 学论 文 提 交 日 期 ： 2011 年 10 月 论文答辩日期: 2011 年 12 月学 位 授 予 单 位 ： 河 北 工 业 大 学答 辩 委 员 会 主 席 ：评 阅 人 ：2011 年 12 月Thesis Submitted toHebei University of TechnologyforThe Master Degree ofPhysical ElectronicsRESEARCH OF IMPROVING THE UP-CONVERSIONMATERIALS OF LIGHT - OPTICAL CONVERSIONEFFICIENCYbyTong JianboSupervisor: Prof. Zhang CunshanProf. Zhang XiaodanOctober 2011This work supported by the National Basic Research Program of China( Grant Nos. 2011CB201605, 2011CB201606), the Hi-Tech Research andDevelopment Program of China (Grant No. 2009AA050602), the Science andTechnology Supporting Project of Tianjin (Grant No. 08ZCKFGX03500), theNational Natural Science Foundation of China (Grant No. 60976051),International Cooperation Project between China-Greece Government (grant No.2009DFA62580), Ministry of education key laboratory of topics(Grant No.2011KFKT06) and the Program for New Century Excellent Talents in Universityof China (Grant No. NCET-08-0295).II河 北 工 业 大 学 硕 士 学 位 论 文提高上转换材料光-光转换效率的研究摘 要近 年 来 ， 上 转 换 发 光 材 料 在 激 光 技 术 、 三 维 立 体 显 示 、 荧 光 分 子 生 物 标 记 及 光 伏 技 术等 领 域 表 现 出 良 好 的 应 用 前 景 。 然 而 因 其 低 的 荧 光 效 率 ， 限 制 了 其 在 各 领 域 的 工 业 化 应 用进 程 。 因 此 ， 探 究 如 何 提 高 上 转 换 材 料 荧 光 效 率 ， 对 有 关 物 理 过 程 进 行 深 入 的 分 析 和 认 识 ，具 有 重 要 的 理 论 与 实 用 意 义 ， 成 为 了 当 前 的 研 究 热 点 。本 论 文 在 参 考 大 量 文 献 及 前 期 实 验 结 果 的 基 础 上 ， 采 用 水 热 法 制 备 出 荧 光 效 率 高 的 微米 级 六 角 晶 向 Yb3+， Er3+共 掺 的 NaYF4 上 转 换 材 料 ， 同 时 提 出 将 纳 米 金 属 颗 粒 表 面 等 离 子 激元 运 用 到 上 转 换 材 料 中 ， 通 过 纳 米 金 属 颗 粒 表 面 等 离 子 激 元 的 高 能 局 域 电 场 ， 提 高 上 转 换材 料 高 能 级 电 子 的 激 发 速 率 ， 从 而 获 得 辐 射 光 子 跃 迁 几 率 的 增 加 ； 同 时 激 发 速 率 的 提 高 同样 可 以 改 变 上 转 换 材 料 的 荧 光 寿 命 以 及 量 子 场 效 应 。 采 用 XRD， SEM， UV-IV 以 及 PL 谱 测试 ， 探 究 其 表 面 等 离 子 激 元 特 性 对 上 转 换 材 料 荧 光 效 率 的 影 响 作 用 ， 获 得 提 高 上 转 换 材 料光 -光 转 换 效 率 的 有 效 途 径 。 得 到 的 结 论 如 下 ：1、 采 用 共 烧 结 与 共 离 心 工 艺 ， 将 不 同 量 的 纳 米 Ag 颗 粒 引 进 制 备 上 转 换 材 料 的 前 驱 液中，分别在离心前后引入纳米银溶胶，实现纳米 Ag 颗粒和上转换材料的充分混合，通过XRD 和 SEM 测 试 ， 表 征 了 纳 米 Ag 颗 粒 的 引 入 ， 虽 然 没 有 改 变 基 质 材 料 的 结 晶 取 向 ， 但 是却 改 变 了 基 质 材 料 衍 射 峰 强 ： 少 量 掺 入 纳 米 Ag 颗 粒 ， 可 以 促 进 基 质 材 料 六 角 晶 向 的 衍 射峰 峰 强 ， 过 多 引 入 反 而 会 起 到 相 反 效 果 ； 进 一 步 对 材 料 进 行 了 光 吸 收 和 光 发 射 特 性 测 试 分析 ， 表 明 混 合 材 料 具 有 吸 收 和 荧 光 均 强 度 增 强 的 效 果 ， 在 300-800nm 全 谱 增 益 达 28%； 采用 共 离 心 后 烧 结 工 艺 制 备 获 得 纳 米 Ag 颗 粒 与 上 转 换 混 合 材 料 ， 其 300-800nm 全 谱 上 荧 光增 益 达 43%；2、 通 过 工 业 化 应 用 的 50nm 银 粉 和 纳 米 级 NaYF4 上 转 换 材 料 进 行 掺 杂 ， 采 用 将 基 质 材料 和 纳 米 Ag 粉 溶 于 酒 精 然 后 进 行 不 同 量 掺 杂 ， 由 XRD 和 SEM 对 材 料 结 晶 质 量 进 行 测 试 ，表征了纳米 Ag 颗粒的引入，并未改变基质材料的结晶取向，而且对基质材料的衍射峰峰强 影 响 不 大 ； 基 于 在 不 影 响 上 转 换 材 料 结 晶 的 情 况 下 ， 进 一 步 经 过 吸 收 谱 和 发 射 谱 测 试 对材 料 进 行 了 分 析 ， 表 明 混 合 材 料 相 对 基 质 材 料 的 荧 光 强 度 有 一 定 的 增 强 ， 在 300-800nm全 谱 增 益 达 40%；3、 将 实 验 制 备 的 含 纳 米 银 颗 粒 的 上 转 换 材 料 应 用 于 非 晶 硅 薄 膜 太 阳 电 池 中 ， 通 过 对比 非 晶 硅 电 池 J-V 曲 线 测 试 ， 纳 米 银 颗 粒 的 引 入 未 引 起 电 池 开 路 电 压 和 填 充 因 子 的 改 变 ，而 使 短 路 电 流 有 一 定 的 提 高 （ 约 9.3 ） 。 该 结 果 表 明 了 纳 米 银 颗 粒 对 上 转 换 材 料 的 荧 光增 强 效 果 可 提 高 非 晶 硅 电 池 的 光 吸 收 几 率 。关键词：纳米 Ag 颗 粒 ， 表 面 等 离 子 激 元 ， 上 转 换 材 料 ， 光 致 荧 光 ， 太 阳 能 电 池i提 高 上 转 换 材 料 光 -光 转 换 效 率 的 研 究RESEARCH OF IMPROVING THE UP-CONVERSIONMATERICALS OF LIGHT - OPTICAL CONVERSIONEFFICIENCYAbstractIn recent years, the conversion luminescence in laser technology, three-dimensionaldisplay, fluorescent markers and molecular biology and other fields of photovoltaic technologyto show a good prospect. However, because of its low fluorescence efficiency, limiting itsapplication in various fields of industrial processes. Therefore, to explore how to improve theefficiency of fluorescent material on the conversion of the relevant physical processes in-depthanalysis and understanding of important theoretical and practical significance, as the currentresearch focus.The paper in reference to a large number of documents and preliminary experimentalresults, based on a hydrothermal the fluorescence efficiency relatively strong Yb3+, Er3+co-doped NaYF4 conversion material, and made the nano-metal plasmon applied to theup-conversion materials By nano-metal particle surface plasmon of the local electric fieldenergy, improve energy-conversion materials, electronic level excitation rate, resulting inincreased risk of radiation-photon transition; the same time stimulate the rate of increase canalso change the material on the conversion and the fluorescence lifetime Quantum field effect.Using XRD, SEM, UV-IV, and PL spectra to explore the surface plasmon characteristics on theconversion efficiency of the role of fluorescent materials, access to up-conversion materials toimprove optical - optical conversion efficiency of an effective way. The conclusion is asfollows:1 Use of sintering process, the different amounts of nano-Ag particles on the conversionof materials prepared by the introduction of precursor solution, respectively, in the introductionof nano-silver sol before and after centrifugation, the