近几十年,为了缓解过度消耗常规化石能源的压力,研究者们致力于开发新型光伏设备或提升现有太阳能电池的光电转换效率。在众多已研发的光伏技术之中,染料敏化太阳能电池因其具有原料丰富、成本低、工艺简单和相对较高的效率已被看作最具潜力的下一代光伏电池。目前,染料敏化太阳能电池的实验室最高效率能够达到¹2%,而其最大的理论效率却是³0%,这是因为常规染料敏化太阳能电池无法吸收利用占太阳光谱约50%的红外和紫外太阳光能量。解决这个问题的一种有效策略就是利用稀土光谱转换纳米晶将位于红外和紫外区域的光子转换到可见光区域:上转换过程可将低于吸光材料带隙的光子转换到可吸收范围,同时下转换过程也能将高于吸光材料带隙的光子转换到可吸收范围。而如何将上转换和下转换这两大过程高度集成到一个纳米粒子之中,同时拓宽太阳能电池的红外和紫外吸收已成为本领域的研究热点和难点。针对这一科学问题,本课题设计了一种兼具上/下转换过程的稀土掺杂氟化物多层核壳结构,致力于激活上/下转换两个光谱转换过程在一个纳米晶中的最大化协同作用。依据与N719染料的吸收光谱匹配度对具有上转换或下转换发光特性的稀土离子、离子对进行筛选。对于上转换过程,在980 nm激光光源激发下,对比研究目前上转换效率最高的Yb³⁺/Er³⁺,Yb³⁺/Ho³⁺,Yb³⁺/Tm³⁺三种掺杂体系的上转换光谱特性。对于下转换过程,根据不同稀土离子本身最佳的激发波段,分别在395 nm,374 nm,360 nm激光光源激发下,对比研究Eu³⁺,Pr³⁺,Tm³⁺三种掺杂离子的下转换光谱特性。证实Yb³⁺/Er³⁺和Eu³⁺分别为最佳的上转换和下转换掺杂体系。然后探究兼具上转换和下转换过程核壳结构纳米晶的构筑,优化该结构中两种光谱转换稀土离子的掺杂位置,并进一步研究壳层中Eu³⁺掺杂浓度对整体发光强度的影响,证实当Eu³⁺掺杂浓度为7%时可实现上转换和下转换最佳整体发光强度,但由于核壳界面存在严重的Er³⁺和Eu³⁺交叉弛豫作用,导致了不可避免的荧光能量损失。为解决这一问题,在两个活性层中间设计隔离层以阻止交叉弛豫过程,构筑NaYF₄:Yb³⁺,Er³⁺@NaLuF₄@NaYF₄:Eu³⁺三层核壳结构,同时优化Eu³⁺在壳层中的掺杂浓度,发现这一新型结构可进一步提升Eu³⁺掺杂浓度到15%,并实现最佳的上转换和下转换协同效应。为验证该光谱转换材料的性能优势,将设计的材料及对比样品均应用于染料敏化太阳能电池之中,与无光谱转换材料的电池相比,单独上转换NaYF₄:Yb³⁺,Er³⁺@Na YF₄纳米晶将电池效率从6.726%提高到7.154%。而当使用兼具上转换/下转换NaYF₄:20%Yb³⁺,2%Er³⁺@NaYF₄:7%Eu³⁺纳米晶和引入惰性中间层的NaYF₄:20%Yb³⁺,2%Er³⁺@Na LuF₄@NaYF₄:15%Eu³⁺核壳纳米晶时,电池效率被分别提升到7.664%和7.869%,分别实现13.9%和17%的电池效率增强。同时IPCE和激光器激发改性的电池测试结果进一步证实设计的兼具上转换/下转换核壳材料能够有效拓展染料敏化太阳能电池对红外和紫外光的响应,且电池的EIS测试结果显示所有的电池中电子的寿命均为5.033 ms,这说明了掺入的纳米晶不会影响TiO₂层中光子或者是电子的传输。