配位子場エンジニアリングによる広帯域高効率アップコンバージョン蛍光体の創製

利用配体场工程创建宽带高效上转换荧光粉

基本信息

批准号：
22K20491
负责人：
北川裕貴
金额：
$ 1.83万
依托单位：
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Research Activity Start-up
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-08-31 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究では，結晶シリコンが吸収できない近赤外光(> 1150nm)の有効利用によって太陽光発電を高効率化させることを目指して，Ni2+-Er3+イオン間エネルギー移動を利用した高効率近赤外アップコンバージョン発光を実現する光機能材料を，カチオン・アニオン置換に基づく配位子エンジニアリングの観点から創製することを目的としている。このアップコンバージョン発光プロセスは非常に複雑であるため，1. 近赤外光吸収過程(Ni2+)，2. アップコンバージョン発光過程(Er3+)，3. ドナー・アクセプター間エネルギー過程(Ni2+-Er3+) の3段階に分けて，段階的にそれぞれの蛍光体材料の光物性を評価して研究を進めている。2022年度は，第一段階目の過程であるNi2+の近赤外吸収過程に焦点を当て，Ni2+添加ダブルペロブスカイト蛍光体を固相反応法によって合成し，その光物性および局所構造を分光実験と理論計算の両方の観点から評価した。合成した蛍光体は太陽光スペクトルと合致する1150~1400 nmの近赤外域に，Ni2+のd-d遷移に帰属される広帯域吸収を示した。化合物組成中のアルカリ土類金属組成比を変えることにより，吸収波長を最大40 nmシフトさせて制御可能であることを示した。第一原理量子化学電子状態計算によって光吸収特性に影響を与えるNi2+のエネルギー準位をシミュレーションしたところ，Ni2+周りの結合長の減少と局所対称性がそれぞれ駆動力となって励起準位の高エネルギーシフトが起こることが明らかとなった。本成果は，研究計画における近赤外アップコンバージョンの第2,3段階目の過程の高効率化に向けた材料設計指針となるのと同時に，近赤外活性中心イオンとして有望なNi2+を添加した蛍光体の，非経験的なエネルギー準位推定に基づく材料探索の実現可能性を示唆するものである。

This research aims to improve efficiency of solar power generation by effectively utilizing near-infrared light (>1150 nm) that cannot be absorbed by crystalline silicon, and is to create an optical functional material that realizes high-efficiency near-infrared upconversion emission using Ni2+-Er3+ ion energy transfer from the perspective of ligand engineering based on cation/anion substitution.由于这种上转化的发射过程非常复杂，因此通过在三个阶段评估每种磷材料的光学特性，进行了研究：1。近红外的光吸收过程（NI2+），2。上转换发射过程（ER3+）和3。Interdon-ippecter-eccesseptor Energy Process（NI2+-ER3+-ER3+）。在2022财年，我们专注于Ni2+近红外吸收过程的第一阶段，并使用固相反应方法合成了Ni2+添加的双重钙钛矿磷酸盐，并评估了它们的光物理特性和两种光谱实验和理论计算的局部结构。合成的磷光体在1150-1400 nm的近红外范围内显示出宽带吸收，与太阳光谱一致，这归因于Ni2+的D-D转变。通过更改化合物组成中的碱土金属组成比，可以表明可以通过最大40 nm的转移来控制吸收波长。当通过第一原理量子化学电子状态计算模拟影响光吸收特性的Ni2+的能级时，据表明，Ni2+附近的键长的减小和局部对称性分别用作驱动力，以引起激发水平的高能量转移。这些结果为研究项目的第二和第三阶段提供了材料设计的指南，同时表明，基于Ni2+的磷光体的无实验能级估计，材料搜索的可行性，这是有望为近乎汇率的主动中心离子。