太阳能作为人类活动终极能源是一种储量无穷大的可再生能源，太阳照射地球上每秒的能量约为1.743×1026焦耳，地球一小时吸收的太阳能相当于全世界一年能量的总消耗量。因此，有效的利用太阳能被认为有望解决未来能源消耗需求中的一大部分。在过去的几十年里，虽然太阳能电池有了长足的发展，但如何提高太阳能电池的转换效率和降低成本，依然是一项艰巨的任务。当前，对太阳能的利用仅占人类能源消费总量的1％，而化石燃料能源占90％以上。要想大规模利用太阳能，必须开发高效率、低成本的光伏发电系统。限制太阳能电池转换效率提升的一个主要问题是其对整个太阳光谱响应不敏感。在大气质量1.5(AM1.5G)情况下，太阳光谱分布很宽，其波长范围从紫外到红外(280-2500nm，0.5-4.4ev)，但目前大多数太阳能电池只利用太阳光谱中的一小部分。由于每种太阳电池材料只能对其带隙匹配很窄范围的光子有良好响应，只有光子能量大于太阳能电池材料的带隙，才能被吸收，而且多于的能量也不能被有效利用，其通过晶格热振动损失。以硅太阳电池为例，吸收能量大于带隙的光子造成的热损失以及对能量小于带隙的光子不能吸收造成的透过损失，这两部分损失超过入射太阳光能量的50％。　　一种提升电池理论效率超越Shockley-Queisser限制的方法是通过上转换或下转换调整光谱来更好地匹配已有太阳电池光谱响应。到目前以止，针对上、下转换的大多数研究集中在粉体、玻璃陶瓷或玻璃。由于粉体的散射性强、不透明，所以其并不适用于太阳电池。尽管透明陶瓷和玻璃具有一定的透过性，但其成本高且与太阳电池不相兼容，同样限制了其在作为太阳电池上、下转换层的使用。透明上、下转换层由于具有高透性，低成本以及易于太阳电池集成等一系列的优点更适于用太阳电池。本论文主要围绕基于太阳能电池的上、下转换透明薄膜开展了以下几方面的工作:　　(1)采用电子束蒸发方法，成功制备了具有良好上转换性能的的Er3+，Yb3+共掺YF3透明薄膜。通过对薄膜的相结构，表面形貌以及发光性能测试证明薄膜的上转换发光性能可通过表面形貌和结晶性进行调控。改变衬底温度，薄膜由光滑平面结构向树根交错的亚波长纳米结构转变，并且上转换发光强度得到明显的增强，最高增强了50倍，而薄膜的透过率略有降低（最大10％）。在980nm近红外激光的激发下，所有薄膜在可见光区出现了525nm，543nm，655nm三个发射峰，其分别对应于Er3+离子的2H11/2→4I15/2，2S3/2→4I15/2和4F9/2→4I15/2跃迁。655nm发光强度与543nm发光强度的比值随着衬底温度增加而单调减少，进一步验证了上转换薄膜结晶性的增强减少了高频振动声子的数目，进而增加了上转换发光强度这一理论。采用此种方法制各的上转换Er3+，Yb3+共掺YF3透明薄膜，有可能增加GaAs，a-Si和染料敏化等宽带隙太阳能电池效率。　　(2)采用脉冲激光沉积的方法成功制备了Bi3+，Yb3+共掺的Y2O3近红外下转换发光薄膜。在331nm紫外光的激发下，薄膜成功实现了下转换，在1000nm附近处发现一强的发射峰，此波段可以被晶体硅太阳电池有效吸收，进而降低热载流子损失。研究发现随着薄膜厚度的增加，薄膜的结晶性有所增加而其透过率略有降低。随着薄膜厚度的增加，薄膜Bi3+和Yb3+发射峰强度均厚度呈现良好的线性关系。由寿命衰减曲线得到的Bi3+，Yb3+共掺的Y2O3薄膜下转换量子效率约为152％。薄膜的表面形貌可由沉积氧压进行调控。随着氧压的增大，薄膜表面由光滑形貌转变为具有纳米金字塔结构，并且薄膜择优曲向由(222)向(400)转变。在氧压为5Pa的条件下，制备的薄膜表面具有准周期排列的亚波长金字塔结构，此结构具有良好的减反陷光效果，其平均反射率为15.8％，可以与其他采用复杂方法制备的金字塔薄膜的反射率相媲美。此种表面具有金字塔结构的下转换薄膜可同时通过陷光减反和下转换调节光谱来实现提高晶体硅太阳能电池效率。　　(3)成功制各了同时具有下转换和减反性能的YF3∶Pr3+，Yb3+/Y2O3∶Bi3+，Yb3+双层薄膜。采用对应Bi3+∶1So→3P1跃迁的300-400nm及Pr3+∶3H4→1I6，3Pj(j=0，1，2)跃迁的430-490nm紫外光激发下，薄膜均检测到了980nm左右来自Yb3+近红外发射。通过Pr3+离子和Bi3+离子对光的吸收范围的不同且不重合，此双层薄膜可以有效扩展对紫外光的吸收范围。并且由于YF3、Y2O3薄膜折射的不同，所构建的双层薄膜有效实现了减反性能。通过反射率测试发现YF3∶Pr3+，Yb3+/Y2O3∶Bi3+，Yb3+双层薄膜400-1200nm平均反射率为9.9％，相比于裸硅42％的反射率有极大的降低。该双层薄膜不仅能在波长较宽范围内将紫外光子转换为两个位于硅太阳能电池响应峰值附近的980nm近红外光子，还同时可以实现有效减反。因此在提高硅太阳能电池效率方面具有巨大的应用前景。　　(4)为了验证我们所制备的上、下转换薄膜对太阳电池效率是否有提升，分别在宽带隙非晶硅电池和窄带隙晶体硅太阳电池上集成了YF3∶Er3+，Yb3+上转换发光薄膜和Y2O3∶Bi3+，Yb3+下转换发光薄膜。结果发现，对于集成了YF3∶Er3+，Yb3+上转换发光薄膜的非晶硅电池其量子效率在近红外区域并未发现增加。经过此次实验未能验证上转换层对电池效率有所提升。主要是由于上转换是非线性过程，其上转换发光效率强烈依赖于激发光源光强。在测试量子效率时采用氙灯作为激发源，其强度较低，所以会造成测量子效率在近红外区没有明显响应。但其薄膜有望应用于聚光太阳能电池。在集成了Y2O3∶Bi3+，Yb3+下转换发光薄膜的晶体硅太阳能电池进行量子效率测试，发现Y2O3∶Bi3+，Yb3+下转换薄膜在短波长区域对太阳能电池的量子效率有所增加，验证了下转换薄膜应用于硅太阳电池是可行的。