專利名稱：一種近紅外量子剪裁透明薄膜及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于固體發(fā)光材料領(lǐng)域，尤其是涉及一種能夠?qū)崿F(xiàn)高效近紅外量子剪裁下轉(zhuǎn)換發(fā)光的稀土摻雜透明薄膜及其制備工藝。
背景技術(shù)：
太陽能電池光伏發(fā)電是一種清潔、安全的可再生能源，由于受到原理、結(jié)構(gòu)以及材料等諸多方面的限制，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)太陽能電池效率的提升面臨著重大挑戰(zhàn)。硅作為最常見、最重要的半導(dǎo)體材料，不僅是電子芯片、集成電路的基礎(chǔ)材料，也在光伏產(chǎn)業(yè)中發(fā)揮著絕對(duì)的主導(dǎo)作用。由于硅太陽電池將長期處于統(tǒng)治地位，因此開展提高硅太陽電池對(duì)光的利用效率的研究具有極其重要的意義。然而由于受到半導(dǎo)體硅帶隙的制約作用，大約有30%的太陽光輻射能量因熱損失而浪費(fèi)，這成為制約太陽電池效率提高的瓶頸之一。即當(dāng)電池吸收高能光子產(chǎn)生“熱”載流子，“熱”載流子弛豫導(dǎo)帶底或價(jià)帶頂，這部分能量以晶格熱的形式損失，即為熱損失。將具有量子剪裁下轉(zhuǎn)換效應(yīng)的發(fā)光材料與太陽電池耦合，通過對(duì)太陽光譜進(jìn)行調(diào)制有可能實(shí)現(xiàn)減少載流子的熱損失，提高太陽電池效率。紅外下轉(zhuǎn)換材料的研究在最近幾年取得了豐富的成果，從2005年首次發(fā)現(xiàn)紅外量子剪裁現(xiàn)象的Tb3+-Yb3+離子對(duì)，到 Tm3+-Yb3\ Pr3+-Yb3+等離子對(duì)，再到Ce3+-Yb3+、Eu2+-Yb3+離子對(duì)，在大量的材料中都觀察到了紅外量子剪裁現(xiàn)象。但是現(xiàn)在人們對(duì)下轉(zhuǎn)換材料的研究還主要處于粉體，由于粉體對(duì)入射光散射嚴(yán)重，透明性差，限制了其在太陽電池上的實(shí)際應(yīng)用。透明薄膜由于與硅太陽電池工藝兼容且具有高透明性，因此該材料在降低硅太陽電池?zé)峄?yīng)、提高光電轉(zhuǎn)換效率方面具有重要應(yīng)用價(jià)值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種能有效提高硅基太陽能電池的工作效率的紅外量子剪裁透明薄膜材料及其制備方法。一種能有效提高硅基太陽能電池的工作效率的紅外量子剪裁透明薄膜材料，其特征在于，由以下成分組成:Y203> Bi2O3和YlD2O3,其中Bi2O3摩爾分?jǐn)?shù)為0. 25 1%，Yb2O3 ^ 爾分?jǐn)?shù)為0. 5 5%。本發(fā)明所提供的一種能有效提高硅基太陽能電池的工作效率的紅外量子剪裁透明薄膜材料制備方法，包括以下步驟(1)在IO3粉體中加入Bi2O3粉體和％203粉體，其中Bi2O3粉體摩爾分?jǐn)?shù)為0. 25 1%, %203粉體摩爾分?jǐn)?shù)為0. 5 5%，然后球磨混合，烘干后在1200°C煅燒12h，將此粉體采用熱壓法壓制成陶瓷靶材。(2)采用步驟(1)制成的IO3 = BiJb陶瓷靶材，利用激光脈沖沉積方法，制備薄膜材料以硅片或石英為襯底，通入純度為99. 999%的O2，襯底溫度為400 800°C，靶基距為5 8cm，工作氣壓為0. 5 10Pa，激光能量為100 400mJ/脈沖。上述襯底溫度優(yōu)選7000C，靶基距7cm，工作氣壓為lPa，激光能量為350mJ/脈沖。該透明薄膜能有效吸收300-400nm紫外光，在400-900nm可見光范圍透過率超過 90%，經(jīng)量子剪裁過程，發(fā)射出兩個(gè)能被硅基吸收的紅外光子。將該透明薄膜沉積在硅太陽電池上表面，降低硅太陽電池的熱化效應(yīng)，提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率。相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)和有益效果(1)本發(fā)明的紅外量子剪裁材料能吸收紫外光，通過量子剪裁，高效轉(zhuǎn)換成紅外光，其量子效率超過152%，而目前一般的發(fā)光材料的量子效率都遠(yuǎn)低于100%。(2)利用本發(fā)明提供一種新型的紅外量子剪裁透明薄膜制備工藝與硅太陽電池工藝兼容，可以有效提高目硅基太陽能電池轉(zhuǎn)換效率。由于硅太陽電池將長期處于統(tǒng)治地位， 因此開展提高硅太陽電池對(duì)光的利用效率的研究具有極其重要的意義。目前硅太陽電池的極限效率為30%，硅的能帶隙位于IOOOnm左右，與本發(fā)明中所提供的紅外量子剪裁材料所發(fā)射的光波長匹配，因此，如果將此種紅外量子剪裁透明薄膜直接沉積在硅太陽能電池的表面，吸收紫外光，經(jīng)量子剪裁過程，發(fā)射出兩個(gè)能被硅基吸收的紅外光子，能有效改善目前太陽能電池工作效率低的狀況。


圖1為實(shí)施例1制備的^O3圖2為實(shí)施例1制備的^O3圖3為實(shí)施例2制備的^O3圖4為實(shí)施例2制備的^O3圖5為實(shí)施例2制備的^O3圖6為實(shí)施例3制備的^O3圖7為實(shí)施例4制備的^O3
:Bi, Yb陶瓷靶材的XRD圖譜；
:Bi, Yb薄膜的XRD圖譜；
:Bi, Yb薄膜的XRD圖譜；
:Bi, Yb薄膜在976nm波長監(jiān)控下的激發(fā)光譜:Bi, Yb薄膜在331nm波長激發(fā)下的熒光光譜圖；Bi , 薄膜透過譜；
:Bi, Yb薄膜在331nm波長激發(fā)下的熒光光譜圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明制備的透明薄膜與硅太陽電池耦合，降低硅太陽電池的熱化效應(yīng)，提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率?？赏_發(fā)成為一種新型的高效近紅外量子剪裁下轉(zhuǎn)換發(fā)光材料，在太陽電池領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。實(shí)施例1(1)在Y2O3粉體中加入Bi2O3粉體和Yb2O3的粉體，其中Bi2O3粉體摩爾分?jǐn)?shù)為 0. 25% Jb2O3粉體摩爾分?jǐn)?shù)為2. 5%，然后球磨混合，烘干后在1200°C煅燒12h，將此粉體采用熱壓法壓制成陶瓷靶材。其陶瓷靶材的XRD圖譜(見圖1)完全符合IO3PDF 41-1105衍射標(biāo)準(zhǔn)譜。(2)采用步驟(1)制成的t03:Bi，Yb陶瓷靶材，利用激光脈沖沉積方法，以硅片為襯底，通入純度為99. 999%的02，襯底溫度為500°C，靶基距為6cm，工作氣壓為lPa，激光能量為350mJ/脈沖，沉積時(shí)間為90min。得到純相^O3薄膜，其XRD圖譜見圖2。用FLS920 熒光光譜儀在331nm激發(fā)條件下測量室溫發(fā)射譜，觀察到對(duì)應(yīng)于％3+:2F5/2 — 2F772躍遷的量子剪裁近紅外光發(fā)射帶(中心波長為976nm)。實(shí)施例2CN 102321476 A
說明書
3/3頁襯底溫度為700°C，其它制備條件同實(shí)施例1，所得薄膜的XRD圖譜見圖3。用 FLS920熒光光譜儀在331nm激發(fā)條件下測量室溫發(fā)射譜，觀察到對(duì)應(yīng)于％3+:2F5/2 — 2F772躍遷的量子剪裁近紅外光發(fā)射帶(中心波長為976nm)。經(jīng)測量其量子效率超過152%。實(shí)施例3(1)在Y2O3粉體中加入Bi2O3粉體和Yb2O3的粉體，其中Bi2O3粉體摩爾分?jǐn)?shù)為 0. 25% Jb2O3粉體摩爾分?jǐn)?shù)為2. 5%，然后球磨混合，烘干后在1200°C煅燒12h，將此粉體采用熱壓法壓制成陶瓷靶材。其陶瓷靶材的XRD圖譜(見圖1)完全符合IO3PDF 41-1105衍射標(biāo)準(zhǔn)譜。(2)采用步驟⑴制成的t03:Bi，Yb陶瓷靶材，利用激光脈沖沉積方法，以石英片為襯底，通入純度為99. 999%的02，襯底溫度為700°C，靶基距為6cm，工作氣壓為lPa，激光能量為350mJ/脈沖，沉積時(shí)間為90min。得到純相透明^O3薄膜，其在400-800nm平均透過率超過90%，如圖6所示。用FLS920熒光光譜儀在331nm激發(fā)條件下測量室溫發(fā)射譜， 觀察到對(duì)應(yīng)于Yb3+:2F5/2 — 2F772躍遷的量子剪裁近紅外光發(fā)射帶(中心波長為976nm)。經(jīng)測量其量子效率超過152%。實(shí)施例4(1)在Y2O3粉體中加入Bi2O3粉體和Yb2O3的粉體，其中Bi2O3粉體摩爾分?jǐn)?shù)為 0. 5%, %203粉體摩爾分?jǐn)?shù)為5%，然后球磨混合，烘干后在1200°C煅燒12h，將此粉體采用熱壓法壓制成陶瓷靶材。其陶瓷靶材的XRD圖譜完全符合IO3 PDF41-1105衍射標(biāo)準(zhǔn)譜。(2)采用步驟(1)制成的t03:Bi，Yb陶瓷靶材，利用激光脈沖沉積方法，以硅片為襯底，通入純度為99. 999%的02，襯底溫度為700°C，靶基距為8cm，工作氣壓為lPa，激光能量為350mJ/脈沖，沉積時(shí)間為90min。得到純相^O3薄膜，用FLS920熒光光譜儀在331nm 激發(fā)條件下測量室溫發(fā)射譜，觀察到對(duì)應(yīng)于2F5/2 — 2F772躍遷的量子剪裁近紅外光發(fā)射帶(中心波長為976nm)，如圖7所示。經(jīng)測試其量子效率超過152%。
權(quán)利要求
1.一種能有效提高硅基太陽能電池的工作效率的紅外量子剪裁透明薄膜材料，其特征在于，由以下成分組成AA、Bi2O3和Yl32O3，其中Bi2O3摩爾分?jǐn)?shù)為0. 25 1%，YId2O3摩爾分?jǐn)?shù)為0. 5 5%。
2.一種能有效提高硅基太陽能電池的工作效率的紅外量子剪裁透明薄膜材料制備方法，其特征在于，包括以下步驟(1)在^O3粉體中加入Bi2O3粉體和％203粉體，其中Bi2O3粉體摩爾分?jǐn)?shù)為0.25 1%， %203粉體摩爾分?jǐn)?shù)為0. 5 5%，然后球磨混合，烘干后在1200°C煅燒12h，將此粉體采用熱壓法壓制成陶瓷靶材；(2)采用步驟⑴制成的103北，％陶瓷靶材，利用激光脈沖沉積方法，制備薄膜材料 以硅片或石英為襯底，通入純度為99. 999%的O2，襯底溫度為400 800°C，靶基距為5 8cm，工作氣壓為0. 5 10Pa，激光能量為100 400mJ/脈沖。
3.按照權(quán)利要求2的方法，其特征在于，步驟(2)襯底溫度為700°C，靶基距7cm，工作氣壓為lPa，激光能量為350mJ/脈沖。
全文摘要
一種近紅外量子剪裁透明薄膜及其制備方法，屬于固體發(fā)光材料領(lǐng)域。薄膜的材料組成為Y2O3、Bi2O3和Yb2O3，其中Bi2O3摩爾分?jǐn)?shù)為0.25～1％，Yb2O3摩爾分?jǐn)?shù)為0.5～5％。制備方法是在Y2O3粉體中加入Bi2O3粉體和Yb2O3的粉體，球磨混合，烘干后在1200℃煅燒12h，采用熱壓法壓制成陶瓷靶材；利用激光脈沖沉積方法，以硅片或石英為襯底，通入O2，襯底溫度為400～800℃，靶基距為5～8cm，工作氣壓為0.5～10Pa，激光能量為100～400mJ/脈沖。該薄膜在紫外光激發(fā)下能實(shí)現(xiàn)高效的近紅外量子剪裁下轉(zhuǎn)換發(fā)光，有望降低硅太陽電池的熱化效應(yīng)，提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率。
文檔編號(hào)C23C14/28GK102321476SQ20111014991
公開日2012年1月18日 申請(qǐng)日期2011年6月3日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月3日
發(fā)明者嚴(yán)輝, 侯育冬, 劉晶冰, 宋雪梅, 張銘, 曲銘浩, 朱滿康, 汪浩, 王如志, 王波 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)