一種量子剪裁提高硅薄膜太陽能電池效率的新方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種量子剪裁提高硅薄膜太陽能電池效率的新方法，采用含有上、下轉(zhuǎn)換材料的功能納米SiO2薄膜增加Si薄膜太陽能電池對光的吸收，首先制備含有上下轉(zhuǎn)換材料的SiO2溶膠，然后采用旋涂或提拉法制備SiO2顆粒可控的薄膜，該薄膜能夠保護Si膜以及Ag或Al金屬膜不受影響，而且該膜層含有的上、下轉(zhuǎn)換材料將紅外光聚集成為可見光，將紫外光降低為可見光和紅外光，該部分紅外光又通過量子剪裁上轉(zhuǎn)換形成可見光，大大提高了Si薄膜太陽能對光的利用效率，還能夠?qū)⑻柟庵胁荒鼙惶柲茈姵匚盏拈L波長紅外光和短波長紫外光進行量子剪裁轉(zhuǎn)換為可利用的可見光，既提高了太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率，同時也避免了因電池溫度升高而導(dǎo)致太陽能電池轉(zhuǎn)換效率下降和電池性能衰退。
【專利說明】一種量子剪裁提高硅薄膜太陽能電池效率的新方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于太陽能電池【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種量子剪裁提高硅薄膜太陽能電池效率的新方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，在人們的日常生活和工作中對能源的需求越來越大。傳統(tǒng)的石化能源隨著使用而逐漸減少，同時全球還有很多地區(qū)得不到正常的能源供應(yīng)，并且常規(guī)能源的使用很容易破壞地球上的生態(tài)環(huán)境。所有這些促使科研人員對新能源的研究越來越重視。目前可供人們開發(fā)和利用的可再生能源有太陽能、風(fēng)能、潮汐能、氫能、地?zé)崮艿?。太陽能擁有取之不盡、用之不竭、無污染以及廉價的特性，因而成為人們重視的焦點。由于太陽能具備上面的一些優(yōu)點，使得太陽能具有巨大的研究和利用價值。
[0003]在太陽能量開發(fā)進程中，光伏技術(shù)因其具有清潔安全且無噪聲，可靠性高，應(yīng)用范圍廣，結(jié)構(gòu)簡單，容易維護，逐步是成為最具活力的研究領(lǐng)域。但是，由于包括硅薄膜太陽能電池的光伏技術(shù)太陽能利用過程中存在多種形式的能量損失，導(dǎo)致了太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率一直不是很高:一、光學(xué)反射和透射損失。不是所有照射到光伏電池表面處的光子都能被太陽能電池吸收，其中有一部分在電池表面被再次反射到空氣中，還有一部分穿透過光伏電池。二、低能量光子的能量浪費。低于光伏電池用材料的禁帶寬度能量的光子不足以激發(fā)價帶電子躍遷至導(dǎo)帶，這使得波長大于半導(dǎo)體本征吸收限的長波光子對光電轉(zhuǎn)換沒有貢獻，進而造成大量的光能損失。三、高能量光子的能量損失。由于晶體結(jié)構(gòu)的原因，使得高能光子并不能激發(fā)與其能量相應(yīng)比例的電子一空穴對數(shù)目。它們在激發(fā)產(chǎn)生一對電子一空穴對之后，多余的能量大多以聲子散射的形式轉(zhuǎn)化成為了熱能，造成能量損失。如何減少高能量光子的能量損失是本論文的主要研究內(nèi)容。四、光生電子一空穴對的復(fù)合導(dǎo)致的能量損失。光子激發(fā)形成的電子一空穴對在未受到或者受到Pn結(jié)內(nèi)建電場推動下貢獻于光電流之前，存在一定幾率發(fā)生電子一空穴的復(fù)合，進而導(dǎo)致了光能利用率的降低。
[0004]2005年，Richards, B.S.計算了對于單結(jié)太陽能電池的兩大主要能量損失:在AMl.5條件下，能量低于電池材料禁帶寬度的光子損失大約為164瓦每平方米；而晶格熱震動產(chǎn)生的能量損失為149瓦每平方米。2006年，T.Trupke等人再次分析了在真實的空間環(huán)境下上轉(zhuǎn)換材料的光輻射復(fù)合的效率，給出了上轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的光譜特性。在AM1.5G條件下，對于雙面硅太陽能電池，將上轉(zhuǎn)換材料放置在電池的背面，測得電池的轉(zhuǎn)換效率為40.2%,性能優(yōu)于串聯(lián)太陽能電池叫。2007年,Badescu,V.詳細討論了 T.Trupke等人的上、下轉(zhuǎn)換理論。文章中考慮了三種影響電池效率的因素:電池和光子轉(zhuǎn)換材料的非輻射復(fù)合特性、折射率和太陽光的入射強度。得到了如下的主要結(jié)論:轉(zhuǎn)換材料后置的電池系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率能夠高于轉(zhuǎn)換材料前置的太陽能電池系統(tǒng)?，F(xiàn)有技術(shù)方案直接添加上下轉(zhuǎn)換材料，不利于吸收形成質(zhì)量較好的膜層。

【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，本發(fā)明提供一種量子剪裁提高硅薄膜太陽能電池效率的新方法，采用含有上、下轉(zhuǎn)換材料的功能納米SiO2薄膜增加Si薄膜太陽能電池對光的吸收，首先制備含有上下轉(zhuǎn)換材料的SiO2溶膠，然后采用旋涂或提拉法制備SiO2顆?？煽氐谋∧?，該膜層不僅含有上、下轉(zhuǎn)換材料還能夠保護Si膜以及Ag或Al金屬膜不受影響。其技術(shù)方案如下:
[0006]一種量子剪裁提高硅薄膜太陽能電池效率的新方法，包括以下步驟:
[0007](I)將稀土氧化物配置出 2mol/L 的 Y (NO3) 3、Yb (NO3) 3、Er (NO3) 3 稀土鹽溶液；
[0008](2)將1.5gCTAB, 8mL正庚烷和1000 μ L正己醇滴入錐形瓶，室溫電磁攪拌20分鐘左右，隨后加入500 μ L含Ln3+的溶液，溶液體積比控制為Y3+: Yb3+ = Er3+=78:20:2 ；
[0009](3)加入550 μ L的NaF和6 μ L的HF，攪拌30分鐘左右，將PH值調(diào)節(jié)為1.5-3的酸性溶液；
[0010](4)靜置20分鐘后將溶液移入50mL的不銹鋼反應(yīng)釜中，將其放入烘箱中，溫度控制在150°C左右，持續(xù)加熱5-8小時，然后在烘箱中自然冷卻；
[0011](5)靜止12小時左右后，將反應(yīng)后的溶液轉(zhuǎn)入燒杯加IOmL丙酮并震蕩；
[0012](6)將合成的a-NaYF4: Yb,Er納米粒子分離,再溶解到反相膠束當(dāng)中，滴入二氧化硅前驅(qū)體TE0S，調(diào)節(jié)PH值至弱酸性，電磁攪拌，陳化后得到a -NaYF4: Yb，EriSiO2異質(zhì)包覆核殼納米結(jié)構(gòu)；
[0013](7)下轉(zhuǎn)換材料制備完成后將材料加入到含有上轉(zhuǎn)換材料的SiO2溶膠中；
[0014](8)采用旋涂法或提拉法制備含有上、下轉(zhuǎn)換材料的SiO2薄膜。
[0015]進一步優(yōu)選，步驟(8)所述的含有上、下轉(zhuǎn)換材料的Si02薄膜的結(jié)構(gòu)自上而下依次為減反層、透明電極、太陽能主體結(jié)構(gòu)、含有量子裁剪上、下轉(zhuǎn)換材料的Si02薄膜、背電極、玻璃基底。
[0016]本發(fā)明的有益效果:本發(fā)明采用化學(xué)法制備SiO2包覆的上、下轉(zhuǎn)換材料的納米薄膜，該發(fā)明首先能夠利用上、下轉(zhuǎn)換材料對太陽光的轉(zhuǎn)換作用:將紅外光聚集成為可見光，將紫外光降低為可見光和紅外光，該部分紅外光又通過量子剪裁上轉(zhuǎn)換形成可見光，大大提高了 Si薄膜太陽能對光的利用效率，將太陽光中不能被太陽能電池吸收的長波長紅外光和短波長紫外光進行量子剪裁轉(zhuǎn)換為可利用的可見光，既提高了太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率，同時也避免了因電池溫度升高而導(dǎo)致太陽能電池轉(zhuǎn)換效率下降和電池性能衰退。
[0017]其次發(fā)明還可以利用SiO2薄膜包覆顆粒對可見光的散射作用，增加入射可見光在Si薄膜內(nèi)通過的路徑長度，從而使更多的入射可見光被Si膜吸收。最后該方法具有成本低，設(shè)備和原料易得，制備過程簡單，常溫下進行，反應(yīng)過程環(huán)保無污染，對環(huán)境友好等優(yōu)點。經(jīng)過一系列的測試分析發(fā)現(xiàn):該層含有上、下轉(zhuǎn)換材料的功能納米SiO2薄膜增加了 Si薄膜對入射光的吸收，具有非常好的實用前景。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1為本發(fā)明SiO2包裹上轉(zhuǎn)換材料示意圖；
[0019]圖2為本發(fā)明SiO2包裹上轉(zhuǎn)換材料的微觀圖；
[0020]圖3為本發(fā)明SiO2包裹下轉(zhuǎn)換材料的微觀圖；
[0021]圖4是有上下轉(zhuǎn)換材料的SiO2薄膜的結(jié)構(gòu)示意圖。[0022]圖5為本發(fā)明具有上轉(zhuǎn)換材料NaYF4:Yb，ErSiO2薄膜和無上轉(zhuǎn)換材料時SiO2薄膜的光譜圖。
【具體實施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步詳細地說明。
[0024]在硅薄膜太陽電池中，由于硅薄膜的膜層厚度較小，對入射可見光的吸收很弱，嚴重地限制了電池的光電轉(zhuǎn)換效率。通過增加硅薄膜對400?760nm波段內(nèi)的入射光的有效吸收是一個非常吸引人的有效途徑。
[0025]對于這個問題，本發(fā)明的解決思路是:采用化學(xué)法制備含有上轉(zhuǎn)換材料NaYF4:Yb, Er+和含有下轉(zhuǎn)換材料NaYF4:Tb3+，Yb3+的二氧化硅溶膠，然后采用旋涂或提拉法制備成含有納米NaYF4:Yb，Er+和NaYF4:Tb3+，Yb3+顆粒的SiO2薄膜，該新工藝不僅增加入射光在Si薄膜內(nèi)的反射次數(shù)，增加其有效光程，使更多的入射可見光被Si薄膜吸收，更能夠使太陽光光更多地轉(zhuǎn)化為有用光使硅薄膜吸收。
[0026]本發(fā)明首先在襯底上制備Ag或Al薄膜，然后將上、下轉(zhuǎn)換材料旋涂或提拉法涂Ag或Al薄膜，然后在氮氣等惰性氣體的保護下中快速退火，能節(jié)省時間，退火溫度100-280°C，上、下轉(zhuǎn)換微器件是由稀土離一子摻雜的上、下轉(zhuǎn)換發(fā)光材料的納顆粒構(gòu)成，顆粒大小為200-500納米左右，上、下轉(zhuǎn)換發(fā)光材料的納米顆粒則被SiO2包覆。最后可采用VHF-PECVD, PECVD, HWCVD, HPD-RF-PECVD等方法制備相應(yīng)的硅薄膜太陽能電池。
[0027]—種量子剪裁提高硅薄膜太陽能電池效率的新方法，包括以下步驟:
[0028](I)將稀土氧化物配置出 2mol/L 的 Y (NO3) 3、Yb (NO3) 3、Er (NO3) 3 稀土鹽溶液；
[0029](2)將1.5gCTAB，8mL正庚烷和1000 μ L正己醇滴入錐形瓶，室溫電磁攪拌20分鐘左右，隨后加入500 μ L含Ln3+的溶液，溶液體積比控制為Y3+: Yb3+ = Er3+=78:20:2 ；
[0030](3)加入550 μ L的NaF和6 μ L的HF，攪拌30分鐘左右，將PH值調(diào)節(jié)為1.5-3的酸性溶液；
[0031](4)靜置20分鐘后將溶液移入50mL的不銹鋼反應(yīng)釜中，將其放入烘箱中，溫度控制在150°C左右，持續(xù)加熱5-8小時，然后在烘箱中自然冷卻；
[0032](5)靜止12小時左右后，將反應(yīng)后的溶液轉(zhuǎn)入燒杯加IOmL丙酮并震蕩；
[0033](6)將合成的a-NaYF4: Yb,Er納米粒子分離,再溶解到反相膠束當(dāng)中，滴入二氧化硅前驅(qū)體TE0S，調(diào)節(jié)PH值至弱酸性，電磁攪拌，陳化后得到a -NaYF4: Yb，EriSiO2異質(zhì)包覆核殼納米結(jié)構(gòu)；
[0034](7)下轉(zhuǎn)換材料制備完成后將材料加入到含有上轉(zhuǎn)換材料的SiO2溶膠中，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，上、下轉(zhuǎn)換材料在內(nèi)核，SiO2包裹在外層，微觀圖如圖2和圖3所示，溶膠顆粒約為 50-1OOnm ；
[0035](8)采用旋涂法或提拉法制備含有上、下轉(zhuǎn)換材料的SiO2薄膜。如圖4所示，步驟
(8)所述的含有上、下轉(zhuǎn)換材料的SiO2薄膜的結(jié)構(gòu)在圖中第4部分所示，具體結(jié)構(gòu)自上而下依次為減反層1、透明電極2、太陽能主體結(jié)構(gòu)3、含有量子裁剪上、下轉(zhuǎn)換材料的Si02薄膜
4、背電極5、玻璃基底6。通過實驗，本發(fā)明的參數(shù)已經(jīng)優(yōu)化，能夠取得較好的轉(zhuǎn)換效果。如圖5所示，虛線部分為太陽光譜，實線部分為通過含有量子裁剪上、下轉(zhuǎn)換材料SiO2薄膜后的光譜，有效地實現(xiàn)了光的轉(zhuǎn)換，有利于太陽能電池對光譜的吸收。
【權(quán)利要求】
1.一種量子剪裁提高硅薄膜太陽能電池效率的新方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)將稀土氧化物配置出2mol/L的Y(NO3) 3、Yb (NO3) 3、Er (NO3) 3稀土鹽溶液； (2)將1.5gCTAB，8mL正庚烷和1000μ L正己醇滴入錐形瓶，室溫電磁攪拌20分鐘，隨后加入500 μ L含Ln3+的溶液，溶液體積比控制為
Y3+:Yb3+:Er3+=78:20:2 ； (3)加入550μ L的NaF和6 μ L的HF，攪拌30分鐘，將PH值調(diào)節(jié)為1.5-3的酸性溶液； (4)靜置20分鐘后將溶液移入50mL的不銹鋼反應(yīng)釜中，將其放入烘箱中，溫度控制在150°C，持續(xù)加熱5-8小時，然后在烘箱中自然冷卻； (5)靜止12小時后，將反應(yīng)后的溶液轉(zhuǎn)入燒杯加IOmL丙酮并震蕩； (6)將合成的a-NaYF4: Yb, Er納米粒子分離,再溶解到反相膠束當(dāng)中，滴入二氧化娃前驅(qū)體TE0S，調(diào)節(jié)PH值至弱酸性，電磁攪拌，陳化后得到a -NaYF4: Yb，EriSiO2異質(zhì)包覆核殼納米結(jié)構(gòu)； (7)下轉(zhuǎn)換材料制備完成后將材料加入到含有上轉(zhuǎn)換材料的SiO2溶膠中； (8)采用旋涂法或提拉法制備含有上、下轉(zhuǎn)換材料的SiO2薄膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的量子剪裁提高硅薄膜太陽能電池效率的新方法，其特征在于，步驟(8)所述的含有上、下轉(zhuǎn)換材料的SiO2薄膜的結(jié)構(gòu)自上而下依次為減反層、透明電極、太陽能主體結(jié)構(gòu)、含有量子裁剪上、下轉(zhuǎn)換`材料的SiO2薄膜、背電極、玻璃基底。
【文檔編號】H01L31/20GK103887374SQ201410105182
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2014年3月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月20日
【發(fā)明者】王生釗, 黃大勇, 李壯輝, 南春娟, 黨玉東, 陳蘭莉, 郭新峰 申請人:南陽理工學(xué)院