土离子光谱性质相关理论稀土离子的光谱项稀土离子的能级跃迁辐射和非辐射跃迁稀土离子间的相互作用光子频域转换机理频率上转换机理频率下转换机理理论稀土掺杂玻璃的制备方法样品的检测与表征本章小结第三章掺杂氧氟微晶玻璃调制的频域转换发光氧氟微晶玻璃的制备实验方法及步骤样品的结构表征及分析远红外频率转换为可见光频率的频域转换发光单掺杂氧氟微晶玻璃的频域转换发光能量传递对频域转换发光的影响调节的增强的频域转换发光本章小结第四章掺杂氧氟玻璃调制的频域转换发光玻璃的制备实验方法及步骤样品的结构表征及分析理论研究分析掺杂的光学属性参数紫外光频率转换为可见光频率的频域转换发光单掺杂氧氟玻璃的频域转换发光调节的增强的频域转换发光，调节的色度坐标本章小结第五章总结与展望研究总结研究展望参考文献附录攻读硕士学位期间撰写的论文万方数据附录攻读硕士学位期间申请的专利附录攻读硕士学位期间参加的科研项目致谢万方数据南京邮电大学硕士研究生学位论文专用术语注释表专用术语注释表符号说明短路电流开路电压填充系数输入光功率太阳能电池效率频率上转换发射强度入射泵浦功率频率上转换光子数缩略词说明能量传递激发态吸收基态吸收的跃迁，由于电子受到外壳层电子的屏蔽作用，所以电子间的跃迁受基质的影响小且能够形成稳定的发光中心。每种稀土离子的上转换过程因各自能级位置的不同而不同。目前，通常把稀土离子的频率上转换发光过程归结为三种形式激发态吸收，能量传递和光子雪崩，。激发态吸收激发态吸收是指同个离子的电子从基态能级通过连续吸收多光子的能量到达高能量的激发态能级的个过程，如图所示，这是频率上转换发光的最基本的过程。首先发光中心处于基态能级上的电子吸收了光子的能量后跃迁至中间亚稳态能级，接着处于能级的发光中心吸收了光子的能量后跃迁到更高能量的激发态上形成双光子吸收。当能级上的电子向基态跃迁时就会发射出高能量的光子。在满足能量匹配的要求下，能级上的电子还有可能向更高能量的激发态能级跃迁而形成三光子四光子五光子吸收，依此类推。只要该能级上的粒子束足够多，就可以发射出较高频率的光子，实现频率的上转换万方数据南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章稀土离子及其掺杂的频域转换发光材料发光。通常激发态吸收过程中的吸收是主要是吸收光子能量后的电子跃迁，但有时候也可以是声子辅助的电子跃迁。对于些稀土掺杂的材料而言需要采用双波长泵浦的方式实现激发态的吸收过程，其中个波长的光的能量将匹配稀土离子基态上的电子跃迁至第中间亚稳态时所需的能量，第二个波长的光的能量将匹配该亚稳态上的电子激发至更高的能级时所需的能量，从而形成双光子吸收过程。但在以下情况下可以消除需要两束不同泵浦光的缺陷两次跃迁所需要的能量相同两次跃迁所需的能量不同时，能量差可以通过吸收声子或发射声子能量来补偿在不规则材料中，稀土离子的能级跃迁会被非均匀加宽。在激发态吸收过程中值得注意的是由于激发态吸收发生在单离子内部，所以为了避免离子之间的能量传递造成能量的损失，掺杂激活离子的浓度要小。图激发态吸收能量转移根据稀土离子间能量转移方式的不同可将能量转移分为如下几种形式连续能量转移连续能量转移通常发生在不同种类的稀土离子之间，处于激发态的施主离子与处在基态的受主离子会因满足能量匹配的要求而发生相互作用，施主离子将能量传递给受主离子而使受主离子的电子跃迁至激发态能级，而施主离子的电子则以无辐射能量传递的方式返回基态。受主离子位于激发态能级上的电子还可能通过第二次能量转移而跃迁至更高能量的激发态能级。交叉弛豫交叉弛豫可以发生在相同的稀土离子之间，也可以发生在不同的稀土离子之间。当两个离子的电子同时位于激发态能级时，其中个离子会将能量传递给另外个离子并使其电子跃迁到更高的能级，而本身则无辐射地弛豫到能量较低的能级。合作上转换万方数据南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章稀土离子及其掺杂的频域转换发光材料合作上转换发生在同类型的稀土离子之间。这个过程是三个离子之间的相互作用，位于激发态的两个离子会将能量同时传递给位于基态能级的第三个离子并使其电子跃迁到更高能量的激发态能级，而这两个离子的电子则从激发态无辐射弛豫到基态。光子雪崩光子雪崩是激发态吸收和能量传输共存在的种过程，如图所示。图中描述了个能级系统，其中表示基态，表示中间亚稳态，表示发射光子的高能态。光子雪崩的特征之就是激发光的能量对应于电子从跃迁到所需的能量。激发光的能量跟基态所需吸收的能量不共振，但有少量的基态电子在吸收激发能后被激发到与能级之间，然后无辐射弛豫到上。能级上的电子会和其他离子的基态电子发生能量传输过程并产生两个电子。电子再吸收光子能量后被激发到能级上。能级上的电子又会与其他离子的基态电子发生相互作用即发生能量传输过程并产生三个电子，如此循环，能级上的电子数量会如雪崩般急剧增加。当能级上的电子向基态跃迁时就发射出光子。这过程就被称为上转换的“光子雪崩”过程，其关键就在于激活离子的处于高能激发态上的电子多次通过交叉弛豫作用产生了大量处于能量较低的亚稳态上的电子。光子雪崩的特征之二就是存在个激发能阈值。当激发能量低于这个阈值时，上转换发光强度很弱，稀土掺杂材料对泵浦光是透明的。当激发能量高于这个阈值时，上转换发光强度会增加且稀土掺杂材料对泵浦光的吸收也会增强许多。利用光子雪崩机制实现稀土离子的频率上转换发光存在个突出的优点，那就是只需要束泵浦光。但在利用此机制时需要注意的是所掺杂的稀土离子浓度必须足够高，因为这样才能使得离子之间存在有效的交叉能量传递的过程，促使离子的中间态上能达到定数量的电子布居，实现光子雪崩。图光子雪崩万方数据南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章稀土离子及其掺杂的频域转换发光材料频率下转换机理频率下转换发光是指稀土离子吸收高能量的短波长光后发射出低能量的长波长光的现象。频率下转换机制可对太阳光谱进行调制，将不能被太阳能电池吸收的紫外光转换成有较强吸收的可见光域，从而降低太阳能电池的热损失。量子剪裁是种量子效率大于的频率下转换机制，是提高太阳能电池的光伏效率种有效方法。从理论上分析，可通过个单发光中心或个联合发光中心实现量子剪裁效应，具体的实现途径如下通过单离子的能级跃迁实现量子剪裁过程。通过离子对之间的能量传递实现量子裁剪过程通过离子和基质之间的能量传递实现量子裁剪过程图量子剪裁量子剪裁的思路如图所示，和表示两种不同的稀土离子。图表示的是单离子的量子剪裁过程，单离子基态上的电子在吸收真空紫外光后被激发到高能激发态，然后向下跃迁连续发射出两个可见光子。图描述的是只由个离子发光的情况。第步是离子基态上的电子在吸收真空紫外光后被激发到高能激发态，激发态的部分能量通过交叉弛豫将能量传递给离子，使得离子基态上的电子被激发到激发态，当电子返回到基态时发射出可见光子第二步是仍处于激发态的离子会将剩余的能量通过无辐射共振能量传递的方式传递给离子，离子上的电子向基态跃迁发射出可见光子。图，描述的是两个离子发光的情况。图描述的是离子基态上的电子在吸收真空紫外光能量后被激发到高激发态，其中部分能量通过交叉弛豫的方式将能量传递给离子并使得离子基态上的万方数据南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章稀土离子及其掺杂的频域转换发光材料电子被激发到激发态，这些电子向基态跃迁时发射出可见光子。离子剩余部分能量使得电子处于低激发态，然后返回到基态时发射出可见光子。图描述的是离子基态上的电子在吸收真空紫外光后被激发到高激发态，先向低激发态跃迁发射出可见光子，然后又将低激发态上剩余的能量无辐射传递给离子，使得离子的高能激发态上布居电子并在向基态跃迁时发射出可见光子。理论和共同创立的理论是由是用来处理稀土离子在固体中辐射跃迁几率的唯理论模型。它的基本思想就是根据可测量的吸收谱，求出基态到激发态跃迁的吸收峰的积分强度后计算出电偶极跃迁和电多级跃迁的振子强度，再利用得到的振子强度计算出各跃迁的跃迁几率等。稀土离子的自由离子能级都是由相同的ƒ组态构成的，其宇称都是相同的，它们能级之间的跃迁属于磁偶极过程，而电偶极过程是受禁戒的。然而在固体材料中，奇次项晶场的作用使得相反宇称的ƒ组态混入到组态之中，这时原来ƒ组态内的状态不再是单的状态，而是两种宇称的混合态，从而使得固体材料中ƒ组态内的电偶极跃迁成为可能。和从静态晶场引起相反宇称的组态混合出发，推导了跃迁几率表达式，被称为理论。稀土离子的晶场哈密顿量可写成奇偶其中为奇数，系数不全为零非中心配位场。把自由离子哈密顿和偶同时对角化得到的波函数作为零级近似波函数，把加进奇微扰后的级近似波函数作为晶场本征函数，这样的话，电偶极算子在晶体本征函数之间的矩阵元就会出现不为零的值。认为零级近似波函数是已知的，若不考虑混杂，则有如下的形式，其中，代表居中偶合态，所以它能够进步表达成耦合的本征态按的组合。为了打破宇称禁戒，引入了级近似的宇称混杂波函数，其具体形式为万方数据单位代码密级公开硕士学位论文论文题目基于提高太阳能电池光电效率的频域转换材料及应用何万益颜晓红教授电路与系统光电子技术工学硕士二四年二月学号姓名导师学科专业研究方向申请学位类别论文提交日期万方数据万方数据南京邮电大学学位论文原创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京邮电大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。本人学位论文及涉及相关资料若有不实，愿意承担切相关的法律责任。南京邮电大学学位论文使用授权声明本人授权南京邮电大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档允许论文被查阅和借阅可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索可以采用影印缩印或扫描等复制手段保存汇编本学位论文。本文电子文档的内容和纸质论文的内容相致。论文的公布包括刊登授权南京邮电大学研究生院办理。涉密学位论文在解密后适用本授权书。研究生签名日期研究生