一、稀土发光之美

稀土是化学周期表中镧系元素和钪、钇共十七种金属元素的总称。稀土早已经融入人们的生活，小到手表、手机大到航天器、军工武器，稀土只能说是无处不在，并且由于稀土的不可代替性，而被列为‘国家战略储备资源’。由于稀土元素的用量极少，而作用极大，也被称为“工业维生素”。稀土纳米发光材料，即稀土掺杂无机纳米材料，指的是稀土离子作为激活剂，在基质中作为发光中心而掺入，继承了稀土离子本身的优异性质，在照明和显示，生物标志物和光伏器件等领域具有广泛的应用前景。稀土离子的发光源自其4f电子在f-f组态之内或f-d组态之间的跃迁，稀土离子丰富的能级和4f电子的跃迁特性，使稀土发光可以覆盖紫外到红外波段，发光谱线窄，可以实现上转换和量子剪裁发光。

吉林大学集成光电子学国家重点实验室宋宏伟教授团队围绕稀土发光的吸收截面小、光效低等业界难题，开发了多种新型稀土发光材料，并开发了基于稀土材料优化的发光LED、钙钛矿太阳能电池和光电探测器等光电器件。

1.量子剪裁发光

稀土量子剪裁发光是指材料吸收一个能量大于或等于发射光子能量2倍的高频光子，通过级联发射或者能量传递过程，发射两个或多个低频光子的过程，其理论内量子效率为200%。90年代，科学家提出采用量子剪裁发光提高太阳能电池效率的设想。然而，传统量子剪裁发光面临吸收截面小、吸收谱带窄等问题，实际的量子效率远远低于理论效率200%，对太阳能电池效率的提升效果非常有限，使量子剪裁发光及其光伏应用的发展停滞不前。

2017年，宋宏伟教授课题组在国际上首次报道了Yb3+离子的铅卤化物钙钛矿量子剪裁发光材料，成功实现了在1000nm附近内量子效率高达146%的量子剪裁发光，揭示了钙钛矿将一个激子能量传递给两个稀土Yb离子的量子剪裁机理。将此量子剪裁材料制成高效光转换薄膜，覆盖于商用单晶硅和铜铟镓硒太阳能电池的表面，使其光电转换效率相对提升了接近20%，为光伏应用带来新的契机。

2.局域场调控上转换发光

上转换发光是吸收较长波长的两个或多个光子，激发出较短波长的光的过程。它是反斯托克型的发光，这种类型的发光的例子就是将红外光转化为可见光。由于稀土发光独特的4f跃迁发光特性，稀土上转换发光存在吸收截面小、激发阈值高、饱和效应和热效应等瓶颈问题，导致其荧光强度低且易猝灭。研究团队通过金属、半导体表面等离子共振效应和光子晶体效应等局域光场调控方法，使稀土上转换荧光增强了三到四个数量级，有效降低了激发阈值，实现了稀土上转换发光在防伪显示、光电器件等领域的应用。

二、稀土纳米光电器件

1. 新型稀土LED

发光二极管目前在照明和显示中应用广泛。传统的III-V族半导体发光二极管、有机发光二极管和量子点发光二极管均已取得巨大的成功并逐步实现商业化，但仍旧面临着制备工艺复杂，成本高等诸多挑战。

吉林大学集成光电子学国家重点实验室宋宏伟教授团队研发了基于稀土掺杂无机钙钛矿纳米晶的LED器件，获得了高效的白光发射，白光LED通常需要不同发光颜色的材料组合来实现，稀土掺杂使得在单一发光材料下实现了白光LED，实现了稀土离子在白光照明领域的新突破。在发光二极管中，电子和空穴分别从阴极和阳极注入，并在钙钛矿层产生辐射复合，产生钙钛矿宿主发光。通过调控掺杂的稀土离子，便可以实现从可见到红外的多波段稀土LED发光器件，为LED器件在多个领域的应用提供基础。

2. 钙钛矿太阳能电池

为了能够实现可持续发展并解决目前能源短缺的问题，将太阳能转换为电能的太阳能电池器件应运而生。钙钛矿具有消光系数高、带隙宽度可调、优良的双极性载流子运输性质以及可溶液处理的优点，兼具了无机光伏器件光谱响应范围宽和有机光伏器件的合成成本低、结构易于调控以及柔韧性好等优点。在2013年，钙钛矿太阳能电池被《Science》杂志评选为当年十大科学突破之一。

吉林大学集成光电子学国家重点实验室宋宏伟教授团队的钙钛矿太阳能电池器件获得了高水平的光电转换效率(有效面积0.1 cm2)的最高效率达到了24.11% (正型)和23.40% (反型)，并通过优化使器件在高湿度，高温，紫外和氧气老化的极端环境下保持稳定的器件状态，器件的长时稳定性可以在5000h维持器件初始效率的93%的超高稳定性。

（1）利用有机异质结和贵金属扩展PSCs近红外光的吸收范围，使光谱响应从800 nm拓展到1100 nm，获得了效率高达23.52%的正型器件，获得了反型23.4%的超高效率和20.71%的柔性器件。研究团队系统的研究了有机异质结扩展红外响应的这一方法，并全面地解决了有机异质结在钙钛矿电池中阻碍发展的问题，为实现具有极宽的光谱响应的高效稳定电池提供了一种有效而通用的策略。

（2）利用稀土掺杂的无机钙钛矿量子点材料钝化电池，将稀土掺杂的无机钙钛矿量子点材料引入到钙钛矿电池，并提出了“晶格对晶格”的新掺杂方法，解决了稀土掺杂在器件应用中的局限性。修饰后的器件可以达到1.235 V的超高开压以及22.89%的效率，并有效提高了器件的湿度稳定性和长时稳定性。

（3） "植物学习"-天然有机物添加剂实现高效稳定的钙钛矿太阳能电池

通过引入一种天然抗氧化剂番茄红素到电池中，以获得高效“新鲜”的钙钛矿电池。番茄红素是一种天然抗氧化剂，可用于食品加工和抗氧化保健食品原料，通过消除紫外线引起的自由基，治疗人体的紫外线红斑。番茄红素除了有防止氧气入侵的功能, 还能作为一个路易斯碱添加剂钝化晶界陷阱, 并且在室温下促进钙钛矿黑相的形成，使电池效率从20.57%升至23.62%，器件在的氧气稳定性，紫外和氧气稳定性，湿度稳定性和热稳定性长时稳定性都有了极大的提高。这项工作的意义表明了我们可以不需要复杂的人工合成，而从天然植物中"学习"有效物质获得高效稳定器件的新思路。

3. 新型稀土光电探测器

光电探测器的原理是由辐射引起被照射材料电导率发生改变。光电探测器在军事和国民经济的各个领域有广泛用途。在可见光或近红外波段主要用于射线测量和探测、工业自动控制、光度计量等;在红外波段主要用于导弹制导、红外热成像、红外遥感等方面。近红外光电探测器具有很大的应用前景，包括：光纤通信，无人驾驶，生物模式识别，光电耦合器等领域。研究团队首次报道了通过级联放大作用，将钙钛矿与上转换纳米晶结合，首次实现了多模式，高效，近红外光电探测器件。

宽带光电探测器可以实现宽光谱的响应，在激光成像，感温传感，智能家居等领域有很大的应用前景。然而，如何实现紫外至近红外区域探测，至今仍然存在问题。通过荧光转换层与钙钛矿层和有机红外异质结层结合，实现了其光谱200-1000nm响应。有效的解决了紫外区域，特别是深紫外区难以探测的问题。

四、展望

稀土发光材料由于其独特的魅力和出色的性能，已被应用到各行各业。近年来，新兴的稀土发光材料的成功研发，使稀土发光在新型光电器件中又产生了新的应用。稀土掺杂钙钛矿纳米材料，利用钙钛矿的大吸收截面解决稀土离子的发射效率低的问题，利用稀土离子更丰富的光色来改善和拓展钙钛矿家族的光谱发射范围。稀土离子与钙钛矿的结合，产生了许多令人兴奋的结果。稀土离子在发光二极管、太阳能电池、光电探测器等器件中的应用，有效提升了器件性能。我国是稀土储量大国，开发利用好稀土元素是提升国家竞争力的有力武器。我们相信，未来会研发出更多的新型稀土发光材料，使稀土发光走进我们的生活，迎来稀土发光的“春天”。