能源短缺和环境污染愈来愈制约着未来社会的可持续发展,太阳能等可再生能源技术代表了清洁能源的发展方向。作为具有完全可持续发展特征的太阳能光伏发电产业正逐渐进入人类能源结构,并将成为未来基础能源的重要组成部分。然而,目前所广泛使用的硅基太阳能电池其光电转换效率理论最大值仅为29%（Shockley-Queisser极限效率）,实际转换效率约15%。太阳光之所以有很少的百分比转换为电能,原因归结于硅太阳能电池不能将全部的太阳光转换为电流。通常情况下,到达地面的太阳能光谱（AM1.5）其能量约1000 W/m²,波长覆盖280–2500 nm。然而仅能量大于硅太阳能电池能隙（Eg>1.12eV,λ<1100 nm）的太阳光才能被吸收（载流子热能化也将降低硅太阳能电池的效率）,而能量小于硅太阳能电池能隙的太阳光（λ>1100 nm）则不能被吸收利用。如何通过光谱调制使硅太阳能电池更充分、更合理地吸收太阳光,从而提高硅太阳能电池的光电转换效率是当前广泛关注的焦点问题之一。为此可以在太阳能电池的上表面引入下转换发光层,其中包含的掺稀土量子剪裁下转换发光材料首先吸收电池光谱响应较差的一个短波长光子（300～500 nm）,再发射出光谱响应性好的两个或多个红外光子（～1000 nm）,从而提高了电池的光谱响应性并减少了载流子热能化损耗,进而提高硅太阳能电池的光电转换效率。本论文主要探索用于提高硅太阳能电池效率的稀土掺杂量子剪裁下转换发光材料理论和实验可行性。绪论部分（第一章）介绍了稀土离子的能级结构和光谱性能及其光谱调制的能力。着重介绍了如何利用稀土离子的上转换和下转换发光机制来提高太阳能电池的光电转换效率。由于下转换和上转换是纯光学过程,将下转换与上转换层应用于光伏系统中其最大的优势是不需要对现有的太阳能电池进行改变。在理论上,利用光谱转换可能将硅太阳能电池光电转换效率提高到38.6%（下转换）甚至50%（上转换）。但在实际中实现这么高的转换效率还很遥远,因而需要更多的基础研究。第二章介绍了荧光粉合成制备的几种常见的方法以及表征手段。第三章和第四章分别研究了Tb³⁺-Yb³⁺离子对共掺Zn₂SiO₄薄膜和Gd₂（MoO₄）₃粉末的下转换发光。用波长为486 nm左右的蓝光激发Tb³⁺离子的⁵D₄能级,Zn2SiO₄:Tb³⁺,Yb³⁺薄膜和Gd₂（MoO₄）₃:Tb³⁺,Yb³⁺荧光粉不仅发射Tb³⁺离子的特征绿光(Tb³⁺:⁵D₄→7FJ跃迁发光),还发射出Yb³⁺离子在900–1100 nm波段的近红外光(²F_5/2→²F_7/2跃迁)。监测Tb³⁺离子的绿光和Yb³⁺离子的近红外光得到的激发谱均出现Tb³⁺:⁷F₆→⁵D₄跃迁激发峰。Tb³⁺离子的⁵D₄→⁷F₅跃迁发光的荧光寿命随Yb³⁺离子浓度的增加而大大减小。量子剪裁下转换Tb³⁺:⁵D4→Yb³⁺:²F_5/2 + Yb³⁺:²F_5/2是Tb³⁺→Yb³⁺能量传递方式,其最大内部量子效率接近于200%。第五章尝试利用Ce³⁺离子来提高Tb³⁺-Yb³⁺共掺（Gd,Y）BO₃荧光粉的下转换发光强度。系统地对比研究了Tb³⁺-Yb³⁺、Ce³⁺-Yb³⁺、Ce³⁺-Tb³⁺-Yb³⁺共掺（Gd,Y）BO₃荧光粉的下转换发光性质,讨论了Tb³⁺和Yb³⁺掺杂浓度对（Gd,Y）BO3:Tb³⁺,Yb³⁺荧光粉下转换发光的影响,从而探索了Ce³⁺-Tb³⁺-Yb³⁺三掺体系的能量传递机理和下转换发光机制。通过Ce³⁺→Tb³⁺共振能量传递和随后的Tb³⁺→Yb³⁺的合作能量传递过程,Ce³⁺-Tb³⁺-Yb³⁺三掺（Gd,Y）BO₃荧光粉实现了下转换过程。研究发现,（Gd,Y）BO₃:Ce³⁺,Tb³⁺,Yb³⁺荧光粉可以高效地把300–400 nm波段的紫外光转换为900–1100 nm的近红外光,Ce³⁺离子的掺杂使近红外光强度提高了20～30倍。这些特征表明（Gd,Y）BO3:Ce³⁺,Tb³⁺,Yb³⁺荧光粉可能用做下转换层来提高硅太阳能电池的光电效率。第六章研究了Bi³⁺-Yb³⁺共掺（Gd,Y）2O3和YVO4的光谱性能和能量传递过程。在（Gd,Y）₂O₃和YVO₄基质中,Bi³⁺离子的激发谱是一个位于300–400 nm紫外光波段的宽谱。用紫外光激发Bi³⁺离子,Bi³⁺-Yb³⁺共掺（Gd,Y）₂O₃和YVO₄发射出Yb³⁺离子的近红外发光(900–1100 nm,²F_5/2→²F_7/2跃迁)。监测Bi³⁺离子的可见光和Yb³⁺离子的近红外光做出的激发谱重合。讨论了Yb³⁺离子的掺杂浓度和激发波长对Yb³⁺离子的近红外发光强度的影响。合作下转换可能是Bi³⁺和Yb³⁺离子之间的主要能量传递形式。通过衰减曲线计算得到的内量子效率接近于200%。染料敏化太阳能电池利用敏化纳米氧化物半导体把太阳能转化为电能,其突出的优势在于高效率、低成本、制备简单,因此有望成为传统硅基太阳能电池的有力竞争者。染料敏化太阳能电池可以很好地利用可见光,并将其高效地转换为电能。但是研究表明,紫外光的照射会大大降低染料敏化太阳能电池的稳定性和效率。第七章研究了YVO4:Bi³⁺,Ln³⁺（Ln = Dy,Er,Ho,Eu,Sm）荧光粉的发光性质和能量传递过程。研究发现这些荧光粉在紫外250–400 nm区域有很强的吸收,并且能够发出很强的可见光,因此可以作为染料敏化太阳能电池的紫外吸收发光转换层,有望提高染料敏化太阳能电池的使用寿命和光电转换效率。