利用光伏效应将太阳能转换成电能的太阳能电池是当前合理利用太阳能的重要装置之一。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），实际最高转换效率约15%。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光转换层，其中包含的掺杂稀土和过渡金属离子光转换材料首先吸收电池光谱响应较差的一个短波长光子（400⁷00nm），再发射出光谱响应性好的一个或两个红外光子（¹000nm），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。本论文旨在研究，在不改变太阳能电池电子结构的基础上，通过对输入太阳能光谱的调制来实现提高硅基太阳能电池能量转换效率的可能性。本文选择稀土离子Ce³⁺,Tm³⁺, Tb³⁺, Pr³⁺或过渡金属离子Cr³⁺分别与Yb³⁺离子或Nd³⁺共掺进钇铝石榴石基质材料中，研究了在太阳光模拟光源泵浦下掺杂不同离子对的近红外发光特性和能量传递机理。绪论部分（第一章）介绍了太阳能电池工作原理和发展现状，太阳能电池存在问题及解决方案，同时介绍了能量传递的概念和分类，着重阐述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。在理论上，利用光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）和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。第二章介绍了稀土掺杂发光材料合成制备的几种常见的方法以及表征手段。第三章分别研究了太阳光模拟光源泵浦Ce³⁺, Yb³⁺-YAG和Cr³⁺, Yb³⁺-YAG发光材料的光转换特性和能量传递机理。利用太阳光模拟光源分别泵浦YAG: Yb³⁺, YAG:Ce³⁺-Yb³⁺和YAG: Cr³⁺-Yb³⁺发光材料，观察Yb³⁺离子²F_5/2→²F_7/2发光光谱，Ce³⁺:5d→4f与Yb³⁺:²F_5/2→²F_7/2发光峰的激发谱，Cr³⁺:²E→⁴A₂与Yb³⁺:²F_5/2→²F_7/2发光峰的激发谱，时间分辨曲线和寿命曲线，这些都证明了Ce³⁺-Yb³⁺离子和Cr³⁺-Yb³⁺离子之间存在能量传递。通过对Ce³⁺和Cr³⁺离子的光吸收能力和吸收与激发光谱相对强度对比分析，我们归结离子对Ce³⁺-Yb³⁺的能量传递方式为单光子过程：Ce³⁺:5d（²A1g）→Yb³⁺:²F_5/2；离子对Cr³⁺-Yb³⁺的能量传递方式也为单光子过程：即Cr³⁺:⁴T₂→Yb³⁺:²F_5/2和Cr³⁺:4T1→Yb³⁺:²F_5/2。第四章首先将太阳光模拟光源泵浦的Ce³⁺-Yb³⁺与Tm³⁺-Yb³⁺, Tb³⁺-Yb³⁺, Pr³⁺-Yb³⁺共掺杂的YAG发光材料的Yb³⁺:1027nm处发光强度和离子之间能量传递效率进行了对比。通过太阳光模拟光源泵浦的发射光谱图发现Ce³⁺-Yb³⁺离子共掺YAG发光材料在1027nm处发光强度比Tm³⁺-Yb³⁺, Tb³⁺-Yb³⁺, Pr³⁺-Yb³⁺共掺杂的YAG发光材料要强10倍左右。通过测试Ce³⁺, Tm³⁺, Tb³⁺, Pr³⁺离子单掺杂和与Yb³⁺离子共掺杂的荧光寿命，根据公式计算出了Ce³⁺-Yb³⁺与Tm³⁺-Yb³⁺, Tb³⁺-Yb³⁺, Pr³⁺-Yb³⁺的能量传递效率分别为55.8%,50.0%,10.7%和52.1%。其次，将太阳光模拟光源泵浦的Cr³⁺-Yb³⁺与Ce³⁺-Yb³⁺共掺杂的YAG发光材料在Yb³⁺:1027nm处发光强度和离子之间能量传递效率进行了对比。通过发射光谱图，发现Cr³⁺-Yb³⁺共掺杂的比Ce³⁺-Yb³⁺共掺杂的在1027nm处发光强度要强16倍。通过测试Cr³⁺, Ce³⁺离子单掺杂和与Yb³⁺离子共掺杂的荧光寿命，根据公式计算出了Cr³⁺-Yb³⁺共掺杂的与Ce³⁺-Yb³⁺共掺杂的的能量传递效率分别为87.8%和55.8%。通过计算稀土离子吸收光谱和太阳光光源发射光谱积分值，发现Cr³⁺-Yb³⁺共掺杂的比Ce³⁺-Yb³⁺共掺杂的小，由此证明能量传递效率在Yb³⁺:1027nm发光强度方面起着主导作用。第五章研究了太阳光模拟光源泵浦Cr³⁺-Nd³⁺和Ce³⁺-Nd³⁺共掺杂的YAG发光材料的光转换特性和能量传递机理。通过激发光谱和时间分辨证明了Cr³⁺-Nd³⁺和Ce³⁺-Nd³⁺离子之间存在能量传递过程，通过测试Cr³⁺, Ce³⁺离子单掺杂和与Nd³⁺离子共掺杂的荧光寿命，根据公式计算出了Cr³⁺-Nd³⁺与Ce³⁺-Nd³⁺的能量传递效率分别为95.2%和83.4%。