稀土掺杂上转换发光纳米材料,是指通过多光子吸收、能量传递等机制,将低能量光子转化为高能量光子的稀土发光材料。相比于荧光染料、量子点材料,稀土掺杂上转换发光纳米材料具有无毒性、光学稳定性好、化学稳定性好、发光寿命长、发光峰窄等优点。另外,由于稀土掺杂上转换发光纳米材料是以红外光作为激发光源,因此可以避免生物样品自身荧光背景的干扰,能够有效的提高信噪比,同时红外光具有生物组织穿透深度大、对细胞组织损伤小等优点。这使得稀土掺杂上转换发光纳米材料在生物检测、细胞成像、三维立体显示、防伪、太阳能电池、固体激光器、传感器等领域,有着非常广泛的应用前景。因此,对于上转换发光纳米材料制备方法的优化、功能化的设计、材料结构的设计,已经成为当前本领域的研究热点。目前,稀土掺杂上转换发光纳米材料有待解决的问题包括：(1)纳米材料粒径减小时,上转换发光材料的发光强度明显降低；(2)优化纳米材料形貌、晶型的控制手段：(3)利用表面修饰、配体交换等方式,实现上转换发光材料的功能化;(4)探索稀土掺杂上转换发光纳米材料的应用。本论文在总结大量的文献之后,利用溶剂热法,制备出了形貌、粒径可控的NaYF4上转换发光纳米材料,并且系统研究了如何利用离子掺杂,实现纳米材料的形貌、粒径以及光学特性的控制。利用表面改性,实现了上转换材料的性能优化,并探索了所制备的材料在有机光伏领域的应用。首先系统研究了发光中心离子浓度、非发光中心稀土离子掺杂、阳离子掺杂这三大类掺杂方式,对上转换发光纳米材料性能的影响。研究了Gd3+离子和K+离子掺杂,对NaREF4材料粒径、晶体类型及上转换荧光性能的影响,同时探究了相关机理。非发光中心稀土离子Gd3+掺杂,会对材料的形貌、粒径、发光性能产生显著的影响,同时能有效的降低材料形成六方相的温度和时间。研究了阳离子K+离子掺杂对上转换发光材料的影响,研究结果表明,阳离子掺杂,主要是影响材料的形貌、粒径和发光性能等。适量的阳离子掺杂,有助于增加上转换发光纳米材料的发光强度。其次系统研究了同质核壳结构、异质核壳结构和配体交换这三大类表面改性方式,对稀土掺杂上转换发光纳米材料的性能的影响。首先我们通过同质包覆手段,有效的解决纳米材料表面淬灭的问题；在壳结构中掺杂Yb3+离子,能有效提高材料发光强度。这是因为当壳层中包含适量的敏化剂Yb3+离子时,能够增加整个体系对激发光980nm光的吸收,进而使得纳米材料的发光强度增加。研究了CuS包覆对上转换发光性能的影响,结果表明CuS体系的等离子体共振,会导致上转换发光强度减弱。主要原因是由于CuS纳米材料在红外波段有较强的等离子体共振效应,而这部分正好覆盖了稀土掺杂上转换发光纳米材料的吸收波段,造成上转换发光材料的激发率降低。研究了巯基乙胺和氯化铝作为配体交换材料,对上转换发光纳米材料表面状态的影响。巯基乙胺是利用阴离子和上转换发光纳米材料中的阳离子进行配位,而氯化铝是利用金属离子和上转换发光氟化物基质材料中的氟离子进行配位。结果表明,巯基乙胺和硫化钠的配位效果要明显好于金属盐的配位。第三我们首次将稀土掺杂上转换发光纳米材料引入到有机太阳能电池中,并且系统研究了上转换纳米材料对PTB7:PC70BM有机太阳能电池性能的影响。考虑到NaYF4:20mol%Yb,2mol%Er纳米颗粒的光致发光光谱与PTB7:PC70BM吸收重叠区域,我们将其掺入到PTB7:PC70BM中以增强活性层的吸收不足,制备了不同掺杂比例的器件,从器件效率可知,当上转换材料掺杂浓度为3%时候,器件性能最优,效率从7.22%提高到8.83%,证明了掺杂上转换材料可以有效地提高有机太阳能电池的效率。通过测试PTB7:NaYF4:20mol%Yb,2mol%Er纳米颗粒薄膜的瞬态发光寿命否定了NaYF4:20mol%Yb,2mol%Er纳米颗粒到PTB7的Forster共振能量传递这一猜想,并证明了NaYF4:20mol%Yb,2mol%Er纳米颗粒的加入并不会增加激子的复合。深入研究了效率提高的原因：通过光生电流的计算,我们定量分析了NaYF4:20mol%Yb,2mol%Er纳米颗粒的掺入能提高光电激子的生产几率；制备了纯空穴器件,得出空穴迁移率,表明NaYF4:20mol%Yb,2mol%Er纳米颗粒的引入使器件的空穴迁移率得到提高,有助于电荷的传输和收集。