中文摘要：

本项目主要研究能把硅太阳能电池利用率低的300-500 nm太阳光和完全没有被吸收利用的波长大于1100 nm(约等于硅的禁带宽度)的太阳光转换为可被硅太阳能电池有效利用的近红外光(波长小于1100 nm)或可见光的下转换/上转换发光材料。对于下转换发光材料，基于能量传递的设计把共掺体系从单一的稀土离子体系扩展到其它光学活性离子体系，如具有18+2电子构型的离子体系和过渡金属离子体系。对于上转换发光材料，利用过渡金属离子的光谱可调制性使其宽频谱地吸收长波长太阳光，结合三价稀土离子的丰富能级及其优良的发光性能，研究室温下它们共掺在较容易获得的且相对稳定的非卤化物材料中的相互作用以及它们的上转换机制。重点在于研究这两类材料的光谱可调制性和能量传递过程。本项目的研究，可为设计新型的可提高硅太阳能电池光电转换效率的光转换材料提供经验和理论指导，为构建高效的硅太阳能电池器件提供技术支持。

结论摘要：

对于单结半导体太阳能电池来说，如单晶硅太阳能电池，把完全没有被利用的长波长太阳光通过上转换光功能材料转换为可被硅基太阳能电池吸收利用的可见-近红外光，以及把利用率低的短波长太阳光通过下转换光功能材料转换为近红外光，都可以有效地提高硅基太阳能电池光电转换效率。本项目基于能量传递的思想设计具有宽频谱带吸收特性的下转换/上转换发光材料，主要是通过在材料中共掺过渡金属离子/稀土离子来实现。本项目先初步探索各种价态过渡金属离子的合成方法和光谱性质，然后基于本项目追求的特定波段宽谱带吸收的目标和前面的探索经验，深入研究某些有潜力的材料体系，认识配位场作用下过渡金属离子与三价稀土离子在非卤化物体系中的能量传递过程，为设计新型的可提高硅太阳能电池光电转换效率的光转换材料提供经验和理论指导。在下转换发光材料方面，详细研究了过渡金属离子如铝酸盐中Fe3+、镓铌酸盐中Cr3+、硅酸盐(埃及蓝)中Cu2+在不同晶体环境下的发光，研究Fe3+和Cr3+红外发光与不同格位晶场、格位的有序-无序性的关系；深入研究了CaCuSi4O10 电子结构及其Cu2+光谱能级分裂，揭示了Cu2+在高浓度情况下发光没有猝灭的可能原因及其变温光谱的变化规律；积累具有宽谱吸收性质的过渡金属离子红外发光特性的知识和经验。研究了β-NaYF4掺Ho3+/Tm3+的红外三光子量子剪裁发光现象，以及宽带敏化的三光子量子剪裁过程的规律(YVO4:Tm)以及在氟化物微晶玻璃中三光子量子剪裁现象，探讨这些体系包括Ce3+-Yb3+共掺体系量子效率大于1的可能性及其机理，为器件的应用做评估。在上转换发光材料方面，详细研究了Cr3+、Mn2+的上转换发光，发现Mn2+的发光可以从绿光调制到近红外光；在镓酸盐体系中首次实现了过渡金属离子Cr3+宽带敏化Yb3+-Er3+的可被非相干光激发的室温上转换发光，意味着这材料能被聚焦的太阳光直接激发，把透过电池的那部分长波长太阳光利用起来增强电池效率，这在太阳能电池应用领域具有重要意义。在宽谱激发的上转换发光这一途径中存在的问题是过渡金属离子在很多基质中发光效率并不高。通过文献调研和实践经验寻找过渡金属发光效率较高的材料，设计某些纳米结构通过共振能量传递方式去实现过渡金属敏化的上转换发光材料，是一条可能成功的途径。