通过溶胶-凝胶法制备了掺杂CdSe、Nd3+和Yb3+离子的三重掺杂SiO2-TiO2玻璃，并对其进行了合成与表征

《Materials Chemistry and Physics》：Synthesis and characterization of triply doped SiO2-TiO2 glasses with CdSe, Nd3+ and Yb3+ ions prepared by Sol-Gel method

基于溶胶-凝胶法制备的SiO?-TiO?玻璃掺有CdSe量子点和稀土离子Nd3+、Yb3+，研究显示Nd3+作为中间体有效促进能量传递，使Yb3+在近1000nm处实现高效发射，该波长与硅基太阳能电池吸收峰匹配，为高效光热转换材料设计提供新思路。

　　

Nedra Saad | Mohamed Haouari

莫纳斯提尔大学，先进界面与材料实验室（LIMA），科学学院，突尼斯

摘要：

在本文中，我们报告了通过溶胶-凝胶技术制备的掺杂CdSe、Nd³⁺和Yb³⁺的SiO₂-TiO₂玻璃的合成及其光学性质。使用X射线衍射（XRD）检测了玻璃介质中是否存在晶体相。透射电子显微镜（TEM）证实了平均半径约为3纳米的CdSe量子点的存在。傅里叶变换红外（FTIR）光谱用于研究这些玻璃的微观结构。通过光学吸收、光致发光（PL）和时间分辨光致发光（TRPL）光谱研究了不同样品的光学性质。我们发现Nd³⁺离子作为中间体在能量传递到Yb³⁺离子的过程中起着关键作用，增强了其在接近1000纳米处的发光强度，这对应于硅的最大敏感波长。能量传递过程通过CdSe和Nd³⁺在625纳米和800纳米处的发光衰减时间缩短得到了证实。此外，观察到随着Yb³⁺浓度的增加，从CdSe到Nd³⁺以及从Nd³⁺到Yb³⁺的能量传递率分别从36%增加到75%和从13.3%增加到50.75%。基于这些研究，我们可以认为掺杂CdSe、Nd³⁺和Yb³⁺的SiO₂-TiO₂玻璃是一种有前景的材料，可用于制造能够吸收可见光并在接近1000纳米处产生高效近红外（NIR）发射的光致发光太阳能聚光器（LSCs），从而提高基于硅的太阳能电池的效率。

引言

近年来，光伏（PV）太阳能电池作为一种环保且可持续的太阳能利用方式取得了显著进展，这得益于技术进步和市场需求的增长[1]。然而，由于阳光光谱与太阳能电池响应范围之间的不匹配，商用硅基太阳能电池的效率仍然有限[2]、[3]。为了克服这一限制，光致发光太阳能聚光器（LSCs）作为一种成本效益高且可扩展的解决方案受到了关注[4]。因此，最近的研究致力于通过多种策略提高LSCs的效率：优化发光材料、提高光致发光量子产率（PLQY）、减少再吸收损失以及增强能量传递机制[4]、[5]。在这些进展中，将量子点与镧系元素掺杂的玻璃结合使用的混合系统显示出巨大潜力，这主要归功于它们的化学稳定性、宽光谱吸收能力和可调的发光特性[6]。

在这方面，含有镧系离子的SiO₂-TiO₂二元系统在太阳能研究、微波电介质、脱氢过程、固态激光器、光电子学、光数据存储设备以及新型发光荧光体等领域具有当前的技术兴趣[7]、[8]。此外，在LSCs中使用SiO₂-TiO₂溶胶-凝胶玻璃对于提高太阳能电池效率至关重要，因为它结合了良好的光透射性、抗反射（AR）性能、自清洁能力和增强的光捕获效果。溶胶-凝胶方法还具有成本效益高、可扩展的优点，能够制备出保护性强的多功能层，将光线引导至光伏电池并最小化能量损失。此外，该方法可以在低温下通过原子级混合化学物质来制备均匀的玻璃[8]、[9]。溶胶-凝胶过程的另一个优势是能够制备出灵活的多组分非晶玻璃基质[10]。

尽管镧系离子是光子下转换（DC）过程的最佳候选者，因为它们具有丰富的能级，可以实现高效的光谱转换，但它们的小吸收截面严重限制了其吸收阳光的能力，从而降低了量子效率[11]。一种克服这一限制的方法是将半导体量子点（QDs）与镧系离子结合在同一玻璃基质中。这是因为这些纳米粒子具有较大的吸收截面，其发光可以被控制在与镧系离子的吸收带重叠的范围，这对于实现高效能量传递和DC至关重要[12]。

本文介绍了掺杂CdSe以及同时掺杂CdSe和Nd³⁺、Yb³⁺的SiO₂-TiO₂玻璃的结构和光学特性，以评估其在高效LSCs设计中的应用潜力。实际上，在这项工作中选择Yb³⁺离子是因为它们具有简单的两能级电子结构，包括²F₅/₂激发态和²F₇/₂基态，两者之间的能量差约为10,000 cm^-1。这种能量结构使Yb³⁺能够避免再吸收，并有效地从其他镧系离子吸收能量，随后在大约1000纳米处发光，这一波长与晶体硅太阳能电池的最佳吸收区域非常吻合[13]。然而，CdSe的发光与Yb³⁺的吸收之间存在较大不匹配，阻碍了能量的高效传递。因此，我们在同一玻璃基质中引入了Nd³⁺离子，以促进CdSe纳米粒子向Yb³⁺离子的能量传递。此外，Nd³⁺离子本身也具有强可见光吸收能力、低再吸收损失和高近红外发射效率[14]。

样品制备

样品制备

SiO₂-TiO₂玻璃是通过使用四乙基正硅酸盐（Si(OC₂H₅)₄和四丁基氧化钛（Ti(OBu)₄（Bu = CH₂CH₂CH₂CH₃）通过溶胶-凝胶方法制备的。在室温下，我们将TEOS、作为溶剂的乙醇（ETOH）、用于水解的蒸馏水（H₂O）以及作为催化剂的硝酸（HNO₃）混合30分钟。混合后，加入甲酰胺（CH₃NO）以防止最终凝胶在热处理过程中分解。反应物的摩尔比为：TEOS/乙醇：H₂O：HNO₃

结论

本研究成功地将CdSe纳米晶体掺入共掺杂了Nd³⁺和Yb³⁺离子的SiO₂-TiO₂溶胶-凝胶玻璃基质中。结构和光谱分析证实形成了具有强量子限制的六方CdSe量子点，这些量子点均匀分散在非晶基体中。FTIR结果揭示了Si–O–Ti键的形成，证实了强烈的化学相互作用和稳定的单相玻璃网络。重要的是，光学性能……

CRediT作者贡献声明

Mohamed Haouari：撰写 – 审稿与编辑。Saad Nedra：撰写 – 原稿

未引用参考文献

[11]

利益冲突声明

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