染料掺杂聚合物薄膜的光谱下转换研究
何 磊，李润华*，周 玲，陈钰琦
【摘 要】摘要:在玻璃基片表面制作了Coumarin 500、Coumarin 540和Rhodamine 6G 3种染料掺杂的聚合物薄膜，并以市售LED灯和氙灯为光源，实验研究了单一染料掺杂和混合染料掺杂的聚合物薄膜的吸收光谱、荧光光谱及其光谱下转换的特征。研究结果表明:这种多染料掺杂的聚合物薄膜能够吸收350～550 nm波长范围内的光子并将其转换至波长为580 nm左右的光子。在一定的浓度范围内，较高的染料浓度能够获得较高的下转换光子输出。由于Nd3+/Yb3+共掺玻璃中Nd3+离子在580 nm附近有一个较强的吸收峰，这种染料掺杂聚合物薄膜的光谱下转换有助于提高Nd3+/Yb3+共掺玻璃对太阳光中蓝绿光的吸收并通过共振能量转移激发Yb3+离子的近红外发光，对提高单晶硅太阳能电池的综合光伏转换效率有潜在的应用价值。 【期刊名称】发光学报 【年(卷),期】2014(035)008 【总页数】5
【关键词】关 键 词:染料;下转换;红移;共振能量转移;光伏应用
1 引 言
常用的单晶硅太阳能电池对太阳光谱中400～800 nm波长范围内的光子的光伏响应均不灵敏，这一点严重影响到硅光电池对太阳光的综合光伏转化效率。对太阳光谱中400～800 nm波长范围内的光子进行光谱下转换是一种提高单晶硅太阳能电池综合光伏转化效率的途径之一。荧光太阳聚光器(Luminescent solar concentrator，LSC)技术是一种常见的基于光谱下转换的聚光技术［1-
5］，已有多种发光材料被用于LSC的研究和应用［5-6］，主要包括有机染料［7-9］、新型量子点材料［10］和稀土离子材料［11-12］。新型量子点材料目前仍处于研究阶段，没有商业化的产品可以提供;有机染料虽然有很多种，也有商业化的产品可供选择，但近红外区的染料的荧光量子效率很低，难以获得好的下转换效果;稀土离子则存在着吸收带窄的问题。把有机染料与稀土离子的光谱下转换结合起来，将有可能克服二者的弱点，达到较好的光谱下转换效果［6］。
用于LSC的Nd3+/Yb3+共掺杂玻璃体系最早由Reisfeld等提出。在该体系中，Nd3+离子用于吸收太阳光谱，然后通过共振能量转移激发Yb3+离子的2F5/2能级并发出波长为975 nm左右的荧光［11］。在合适的玻璃体系中，Nd3+/Yb3+的共振能量转移效率可以高达 95%［13］。对于Nd3+/Yb3+共掺杂的含铅玻璃，Nd3+离子在400～820 nm范围内有4个主要的吸收峰，其中心分别位于525，580，745，808 nm 附近，半高宽约为 20 nm左右［14］，且525 nm的吸收峰的强度比580 nm吸收峰的强度要弱1/2左右。在其他成分的玻璃中，Nd3+离子的吸收特征也大致相近。如果能够将太阳光中400～550 nm范围内的光子通过具有较高荧光量子效率的有机染料吸收并下转换至580 nm附近，就可以大幅提高Nd3+离子对太阳光谱中400～550 nm波长范围内的光子的吸收，然后通过Nd3+-Yb3+离子间的共振能量转移激发Yb3+在975 nm附近的荧光，这将有助于提高单晶硅太阳能电池对太阳光谱中的蓝绿光的利用率。
本文研究了Coumarin 500(C500)、Coumarin 540(C540)以及Rhodamine 6G(R6G)3种染料掺杂的聚合物薄膜对白光源的光谱下转换特性，利用混合染
料掺杂的聚合物薄膜吸收400～550 nm范围内的光子并将其下转换至580 nm左右，与Nd3+/Yb3+共掺杂的玻璃体系中Nd3+离子的吸收峰相匹配，有助于提高Nd3+/Yb3+共掺玻璃对太阳光中蓝绿光的吸收。
2 实 验
2.1 染料掺杂聚合物薄膜的制作
将一定比例的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和染料溶解于氯仿中并充分搅拌均匀，然后用滴管取少量样品于玻璃片表面，再利用匀胶机甩制成膜。匀胶机先在低转速(500 r/min)下运行10 s后再在高速(2 000 r/min)下运行1 min。等氯仿自然蒸发后即可得到染料掺杂的聚合物薄膜。在显微镜下观测实验中得到的膜厚度约为100 μm。
2.2 光谱分析仪器和实验装置
染料掺杂聚合物薄膜的吸收光谱利用Shimadzu(岛津)UV-3150型分光光度计进行测量。发射光谱利用图1所示的实验装置测量。图1中照明光源从垂直于玻璃片表面的方向照射到聚合物薄膜上，染料荧光经过玻璃片传输至透镜L1的焦平面，由L1和L2组成的收光系统将染料荧光收集到一台焦距为30 cm的单色仪(卓立汉光，Omni λ3005型)的入射狭缝上。光信号由光电倍增管PMT检测，经A/D转换后由计算机记录。计算机同时控制单色仪的波长扫描，其数据采集系统能够方便地记录300～850 nm范围内的光谱。L1和L2的直径为5 cm，其焦距分别为5 cm和25 cm，以满足较大的光收集效率以及与单色仪数值孔径相匹配的双重要求。对于C500染料掺杂的聚合物薄膜，测量其发射光谱时所用的照明光源为氙灯，而对于C540和R6G掺杂的聚合物薄膜，所用的照明光源则为功率3 W的市售LED光源。测量混合掺杂的聚合物薄膜时，分
染料掺杂聚合物薄膜的光谱下转换研究
