受Wiley出版社《先進(jìn)光學(xué)材料》 （Advanced Optical Materials，工程技術(shù)1區(qū)Top，IF ~ 9.926）邀請，我校光電學(xué)院國家級人才張大偉教授領(lǐng)導(dǎo)的“超精密光學(xué)制造”團(tuán)隊(duì)禹德朝特聘教授，在莊松林院士指導(dǎo)下撰寫和發(fā)表了題為《下轉(zhuǎn)換發(fā)光新進(jìn)展：新材料、新技術(shù)和在太陽能電池方面的應(yīng)用》（Recent Advances in Luminescent Downconversion: New Materials, Techniques, and Applications in Solar Cells, Adv. Opt. Mater., 2022, 2200014）的前沿課題綜述文章。
對發(fā)光而言，一個(gè)高能光子被吸收后（如紫外或藍(lán)光），通常在斯托克斯弛豫后產(chǎn)生一個(gè)低能光子發(fā)射（如可見或近紅外光），實(shí)現(xiàn)“1 → 1”光子轉(zhuǎn)換，量子效率小于或等于1；但是在能量或光電轉(zhuǎn)換方面，尤其是“1 紫外/藍(lán)光光子 → 1 近紅外光子或1 電子-空穴對”，一半以上的激發(fā)能在轉(zhuǎn)換中被“熱”耗散掉，而這些嚴(yán)重的“熱”耗散積累后，致使發(fā)光材料與器件（照明、顯示、光伏電池等）的溫度升高，進(jìn)一步造成熱猝滅和性能衰減。2021年4月10日，《科學(xué)》 （Science）雜志發(fā)布了“全世界最前沿的125個(gè)科學(xué)問題”，其中“How can we break the current limit of energy conversion efficiencies? ——我們?nèi)绾瓮黄飘?dāng)前的能量轉(zhuǎn)換效率極限?”榜上有名。因此，創(chuàng)建量子效率大于1的光轉(zhuǎn)換物理機(jī)制新模式——多光子下轉(zhuǎn)換（即“1 → n”，n = 2, 3, 4…），明確調(diào)控策略，開發(fā)高效發(fā)光材料，探究影響其高效發(fā)光特性的因素是當(dāng)前新型發(fā)光材料與器件領(lǐng)域的前沿技術(shù)熱點(diǎn)。
本綜述主要內(nèi)容概括和量子效率大于1的下轉(zhuǎn)換發(fā)光物理機(jī)制模型
稀土離子具有豐富的電子能級結(jié)構(gòu)，其光吸收和光發(fā)射覆蓋了真空紫外到紅外波長范圍，可單摻或組合共摻于不同基質(zhì)材料，通過級聯(lián)躍遷發(fā)射、協(xié)作能量傳遞、共振能量傳遞、多步交叉弛豫輔助等產(chǎn)生多光子發(fā)射，其下轉(zhuǎn)換發(fā)光波長可被調(diào)控至半導(dǎo)體能帶（Eg）之上，如摻Y(jié)b3+下轉(zhuǎn)換體系發(fā)射的1 μm光子恰好可被c-Si（Eg ~ 1.12 eV）太陽能電池吸收利用等。細(xì)致平衡計(jì)算表明，理想的下轉(zhuǎn)換材料作為太陽光譜下轉(zhuǎn)換層可使單節(jié)c-Si太陽能電池效率提高至40%，遠(yuǎn)大于15%~18%的實(shí)際效率。近年來，禹德朝教授從事?lián)较⊥炼喙庾咏t外量子剪裁下轉(zhuǎn)換材料的設(shè)計(jì)與開發(fā)，取得了一系列創(chuàng)新成果，以第一/通訊作者在國際頂級光學(xué)期刊《光：科學(xué)與應(yīng)用》（Light: Science & Applications）發(fā)表相關(guān)研究論文2篇，在知名物理和應(yīng)用物理期刊《物理評論B》（Physical Review B）、《物理評論應(yīng)用》（Physical Review Applied）、《應(yīng)用物理快報(bào)》 （Applied Physics Letters）共發(fā)表相關(guān)研究論文6篇，在專業(yè)期刊《太陽能材料與太陽能電池》（Solar Energy Materials and Solar Cells）發(fā)表相關(guān)研究論文2篇，極大地推進(jìn)了高效近紅外下轉(zhuǎn)換材料的研究、開發(fā)與應(yīng)用。
本綜述首先總結(jié)了下轉(zhuǎn)換發(fā)光在理論基礎(chǔ)、概念模型和可見類到近紅外類下轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)研究的發(fā)展，然后簡要介紹了可見下轉(zhuǎn)換的研究突破，詳述了近紅外下轉(zhuǎn)換在機(jī)理模型、材料體系、技術(shù)方法等方面的最新進(jìn)展，以及下轉(zhuǎn)換材料用作太陽光譜下轉(zhuǎn)換層的優(yōu)化方案和實(shí)驗(yàn)。最后，本綜述對推進(jìn)近紅外下轉(zhuǎn)換及其應(yīng)用于新型太陽能電池的研究進(jìn)行了總結(jié)和展望。
【相關(guān)】
論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adom.202200014
供稿：光電學(xué)院
