稀土材料红外多光子量子剪裁现象

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1、第３２卷，第１０期光谱学与光谱分析Ｖｏｌ．３２，Ｎｏ．１０，ｐｐ２５９７－２６００２０１２年１０月ＳｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙａｎｄＳｐｅｃｔｒａｌＡｎａｌｙｓｉｓＯｃｔｏｂｅｒ，２０１２稀土材料红外多光子量子剪裁现象陈晓波１，杨国建１，张蕴芝２，邓志威１，胡丽丽３，李崧１，于春雷３，陈志坚４，５，崔建生１，陈晓端１，周宏余１，吴正龙１１．北京师范大学应用光学北京重点实验室，北京１００８７５２．中国科学院物理研究所，北京１００１９０３．中国科学院上海光机所，上海２０１８００４．北京大学物理学院，北京１００８７１５．北京大学化学与分子工程学院，北京１００８７１摘要稀土红外量子剪裁为目前国

2、内外的研究热点，它对于提高太阳能电池的效率从而减低太阳能发电的造价很有意义。论文综述了稀土红外量子剪裁的研究意义，在总结了太阳能电池发电和损耗的原理的基础上，分析了稀土红外量子剪裁提高太阳能电池效率的具体途径。同时综述了单掺Ｅｒ３＋材料的稀土红外量子剪裁发光现象：光激发２４４２４Ｈ１１／２能级有很强的Ｉ１３／２→Ｉ１５／２红外量子剪裁发光，速率很大的｛Ｈ１１／２→Ｉ９／２，４４２Ｉ１５／２→Ｉ１３／２｝交叉能量传递为导致光激发Ｈ１１／２能级有高量子剪裁效率的主要原因。关键词太阳能电池；稀土红外量子剪裁中图分类号：Ｏ４８２．３文献标识码：ＡＤＯＩ：１０．３９６４／ｊ．ｉｓｓｎ．１００

3、０－０５９３（２０１２）１０－２５９７－０４胁人类和破坏环境。目前找到的新能源主要有三种，一是太引言阳能，二是燃料电池，三是风力发电。其中，最理想的新能源是大阳能。照射在地球上的太阳能非常巨大，大约５０ｍｉｎ新能源的研发与利用是当前国内外的重大热点研究课照射在地球上的太阳能，便足以供全球人类一年能量的消题。随着经济的发展和社会的进步，人类对能源的依靠和要费。可以说，太阳能是真正取之不尽用之不竭的能源。而且求越来越高，现有能源主要有三种，即火电、水电和核电。太阳能发电绝对干净，没污染没公害。所以太阳能发电被誉火电需要燃烧煤、石油等化石燃料；一方面化石燃料蕴藏量为是理想的能源。有限、越

4、烧越少，正面临着枯竭的危险；另一方面燃烧燃料会排出ＣＯ２和硫的氧化物，因此会导致温室效应和酸雨，恶１量子剪裁现象———提高太阳能电池效率的化地球环境。水电要淹没大量土地，有可能导致生态环境破一种有效途径坏，而且大型水库一旦塌崩，后果会不堪设想；另外，水力资源也是有限的，而且还要受季节的影响。核电在正常情况１．１问题的提出下固然是干净的，但万一发生核泄漏，后果同样是可怕的。目前，太阳能的发电市场占主导地位的是单结晶体硅半根据世界能源权威机构的分析，世界已探明的主要矿物导体太阳能电池。对于单结半导体太阳能电池来说，每吸收燃料储量和开采量不容乐观。石油剩余可采年限仅有３０～４０一个能量大

5、于禁带宽度Ｅｇ的光子就会导致一对电子空穴年，天然气剩余可采年限６２年，煤炭剩余可采年限２３０年，对。但下述的几种损耗限制了单结太阳能电池的效率。最重铀剩余可采年限７３年。要的损耗机理为过程①的吸收了能量大于禁带宽度Ｅｇ的高传统的燃料能源正在一天天减少，能源问题已经成为不能光子所导致的“热”电子空穴对的弛豫、和过程②的能量小容忽视的全球性问题。于禁带宽度Ｅｇ的低能光子没有被吸收。高能量的光子超过寻找新能源，已经成为当务之急。新能源要同时符合两禁带宽度Ｅｇ的部分能量会被电子和空穴快速弛豫到导带和个条件：一是蕴藏丰富不会枯竭；二是安全、干净，不会威价带的带边的热化作用而快速消散为热能，此

6、种能量损耗就收稿日期：２０１２－０３－２７，修订日期：２０１２－０６－２０基金项目：国家自然科学基金项目（１０６７４０１９）和中央高校基本科研业务费专项项目资助作者简介：陈晓波，１９６３年生，北京师范大学应用光学北京重点实验室教授ｅ－ｍａｉｌ：ｃｈｅｎ７８ｘｂ＠ｓｉｎａ．ｃｏｍ，ｘｂｃｈｅｎ＠ｂｎｕ．ｅｄｕ．ｃｎ２５９８光谱学与光谱分析第３２卷被称之为热化损耗。尤其对于半导体太阳能电池，它的禁带ｓｅｒ极限，有两种渠道。一种是多结级连太阳能电池，它的理宽度Ｅｇ较小（晶体硅Ｅｇ≈１．１ｅＶ，晶体锗Ｅｇ≈０．７ｅＶ），它论效率的极限值可以达到４０％，但是成本很高。另一种渠道的热化损耗就很

7、大。过程③是再结合损耗，过程④是结损就是量子剪裁，２００２年又有Ｔｒｕｐｋｅ等从理论上推导出了下耗，过程⑤是接触电压损耗。对于Ｓｈｏｃｋｌｅｙ和Ｑｕｅｉｓｓｅｒ所发转换双光子量子剪裁太阳能电池的最大能量效率的理论极限［２３］。展的平衡模型，Ｅｇ＝１．１ｅＶ的单结太阳能电池，它的理论效值约为４０％率极限可达３０％。７０％的能量损耗与过程①和过程②相关的，被称之为光谱失配。２实验部分１．２量子剪裁太阳能电池———光谱失配问题的解决的有效渠道在文中测量了Ｅｒ０．３Ｇｄ０．７