CN101101930A - 一种高效太阳能电池光波转换纳米复合材料 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高效太阳能电池光波转换纳米复合材料及其制备方法,包括机聚合物、纳米微粒,其特征在于纳米微粒掺杂到有机聚合物中的比例范围在0.01-10wt%。工艺步骤包括:(1)准备纳米微粒的材料(2)采用物理或化学混合(3)将上述复合材料涂布在太阳能电池表面形成透明光波转换薄膜层。本发明同现有技术相比,这种纳米微粒复合荧光粉可以在(300nm-480nm)光波激发下发出比原荧光粉更强,半峰宽更大的光波,能很好地应用在高亮度、高显色性的白光LED。
Description
[技术领域]
本发明涉及一种太阳能电池用高效光波转换纳米微粒复合材料及其制备方法。
[技术背景]
随着世界人口的急剧增加,对能源的需求量也越来越大。太阳能作为一种可再生能源,具有其他能源所不可比拟的优点。20世纪后期发展起来的太阳能光伏电池已经用于人造卫星、信号灯、野外观测站点的电源、广告用电源、光电水泵、家庭供电系统、太阳能汽车/船/飞机、微波通讯中继站电源、手机等领域,展现出巨大的市场应用前景。自从Chapin等人1954年在贝尔实验室发明第一块单晶硅太阳能电池到现在,人们就从没有停止过提高其光电转换效率的研究。要提高太阳能电池的光电转换效率,主要可以通过优化器件设计如并入背表面场、加强陷光技术、表面钝化技术以及制作减反射膜减少表面的非吸收损失等。然而太阳能电池器件结构的优化和减反射膜技术已经发展较成熟,进一步优化它们提高光电转换效率的空间不是太大。我们知道太阳能辐射光谱是连续光谱,其分布范围从零点几微米的紫外光到数微米的红外光为主。硅的能隙为1.12V,晶体硅太阳能电池主要吸收400nm到900nm左右的光,对400nm以下的光(紫光和紫外光)有很低的量子效率,因此造成400nm以下太阳光能的很大损失。如果想要进一步提高太阳能的利用率,增加太阳能电池的光电转换效率,有必要充分利用这部分的太阳光能。
纳米微粒特别是量子点材料是当前光电材料与器件的研究热点,其中纳米微粒奇特的发光现象为其展现了广阔的应用前景。许多纳米材料在紫光或紫外光(400nm以下)激发下可以发出波长在500nm-700nm范围内的可见光,而且控制纳米微粒的尺寸能得到多种波段的光发射(蓝、绿、红等),而晶体硅太阳能电池对这部分光有较高的量子效率。如果根据需要将纳米材料应用到太阳能电池中,将太阳光中400nm以下的紫光和紫外光成分转换到500-700nm内的可见光,就能使晶体硅更有效地吸收太阳光能从而提高太阳能电池的光电转换效率。本项目利用发光性能优良且稳定性好的纳米微粒作为太阳能电池的光波转换材料,通过控制纳米微粒的成分和尺寸将太阳光中的紫光和紫外光转换成适合于太阳能电池吸收的可见光,从而有效地提高太阳能电池的的光电转换效率。
[发明内容]
本发明从太阳能电池光波转换材料实用化为目标,将纳米微粒掺入有机聚合物中在太阳能电池表面制成透明光波转换薄膜层。通过控制纳米微粒的成分、尺寸及在薄膜层的浓度将太阳光中的紫光和紫外光转换成适合于太阳能电池吸收的可见光,从而提高太阳能电池的光电转换效率,研制出高质量的太阳能电池光波转换材料。
本发明的目的通过以下措施来实现:一种高效太阳能电池光波转换纳米复合材料,包括机聚合物、纳米微粒,其特征在于纳米微粒掺杂到有机聚合物中的比例范围在0.01-10wt%。
有机聚合物采用聚氯乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯或聚二甲基硅氧烷或聚酰亚胺在400nm到900nm范围内的光有很高的透过率、化学和热稳定性高的透明有机化合物。
纳米微粒采用CdS或CdSe或ZnS或ZnO或TiO2或C或Si或Al2O3或Ge或InP或SiC或PbS或PbSe或GaAs尺寸在10nm以下,紫外和400nm以内的紫光激发下可以发出波长在500nm-700nm范围的可见光、化学和热稳定性高的量子点。
工艺步骤包括:(1)准备纳米微粒的材料,根据上述权利要求2和3选择材料(2)采用物理或化学混合:物理混合包括纳米微粒或表面修饰活性基团的纳米微粒掺入有机聚合物的液态形式,然后固化;纳米微粒或表面修饰活性基团的纳米微粒和有机聚合物在一定溶剂中混合,然后将溶剂挥发;化学混合包括:纳米微粒的表面修饰;纳米微粒和有机聚合物的单体在一定溶剂中混合;通过反应使单体形成聚合物(3)将上述复合材料涂布在太阳能电池表面形成透明光波转换薄膜层。
纳米微粒由包括化学液相合成或化学固相合成或化学气相合成或电解或电镀或溅射或蒸发或离子束生长的方法制备所得。
物理、化学制备步骤中的表面修饰剂采用巯基丙三醇或硫脲或疏萘剂或磺基琥珀酸双2-甲基戊基酯钠盐或四硫富瓦烯四硫醇盐或十二烷基硫酸钠。
物理、化学混合使用的溶剂包括水、酒精、丙酮、环氧树脂、硅胶、氯仿。
涂布在太阳能电池表面形成透明光波转换薄膜层采用丝网印刷或旋涂或喷涂或化学沉积或电化学沉积的方法。
本发明同现有技术相比,用该方法制备的太阳能电池光波转换纳米复合材料可将太阳光中400nm以下的紫光和紫外光成分转换到500-700nm内的可见光,并且对400nm到900nm范围内的光有很高的透过率。适于产业化生产的硅基和薄膜太阳能电池使用,可与硅基和薄膜太阳能电池相匹配,提高其光电转换效率;该光波转换纳米复合材料光波转换效率高、化学和热稳定性高、制备方法简单方便,可填补目前太阳能电池市场需求的空白。本发明可在不增加太阳能电池成本的条件下,通过本发明的纳米复合薄膜材料与太阳能电池的结合,使太阳能电池的光电转换效率在已有基础上有效地提高2-15%,从而大大降低现有太阳能电池的综合成本,更有利于规模化应用普及。
[附图说明]
图1为实施例1的发射光谱图(360nm激发)。
图2为另一实施例2的电流-电压曲线图(125mm×125mm的单晶硅太阳能电池)。
图3为另一实施例2的电流-电压曲线图(125mm×125mm的单晶硅太阳能电池)。
图4为又一实施例3的电流-电压曲线图(125mm×125mm的单晶硅太阳能电池)。
参见图1从光谱图上看,CdSe量子点在360nm紫外光激发下发出波峰为550nm左右的可见光。
参见图2从图上看,太阳能电池表面形成透明光波转换膜后,开路电压为620mV,基本保持不变;短路电流从5A提高到5.3A,增加~0.3A;光电转换效率提高~7%。
参见图3从图上看,太阳能电池表面形成透明光波转换膜后,开路电压为615mV,基本保持不变;短路电流从5.1A提高到5.5A,增加~0.4A;光电转换效率提高~9%。
参见图4从图上看,太阳能电池表面形成透明光波转换膜后,开路电压为605mV,基本保持不变;短路电流从5.1A提高到5.3A,增加~0.2A;光电转换效率提高~4%。
[具体实施方式]
实施例一:CdSe量子点可通过如下化学方法制备:将0.24mol的Na2SO3粉末溶于200mL去离子水中,然后将0.15mol的硒粉加入到上述制备的Na2SO3溶液中,在水浴锅中缓慢加热至80℃,得到澄清的淡黄色的Na2SeSO3溶液。称取0.225mol Cd(CH3COO)2·2H2O溶于2L去离子水中,然后加入10mL巯基乙酸,用1M的NaOH溶液调节混合夜的pH值为10-11,通入氮气。然后将200mL的Na2SeSO3溶液快速加入到上述混合液中,然后将溶液缓慢加热至100℃,使其回流5小时,然后停止加热,自然降温至室温,得到略显红色的溶胶。接着蒸发掉2/3的溶剂,加入乙醇,不断搅拌至出现沉淀为止,然后在高速离心机中分离出沉淀,沉淀分离后再用乙醇和无水乙醚洗涤得到CdSe量子点。制得的CdSe量子点尺寸在10nm以下,在360nm紫外光激发下发出波峰为550nm左右的光,发射光谱图见图1。接着使用十二烷基硫酸钠对CdSe量子点表面进行修饰。取聚二甲基硅氧烷的A组分(主剂)和B组分(固化剂),按质量比10∶1充分混合均匀,放入真空器中干燥30分钟除去其中的气泡,将1g表面修饰后的CdSe量子点加入到20mL聚二甲基硅氧烷中,在超声下使其均匀混合,使用旋涂的方法将混合溶液均匀地涂覆在125mm×125mm的单晶硅太阳能电池的表面,在真空条件下干燥1小时后,再经过80℃烘烤2小时固化,形成一层薄的透明光波转换膜,用300W的模拟太阳光照射,电流-电压曲线见图2。
实施例二:将0.24mol的Na2SO3粉末溶于200mL去离子水中,然后将0.15mol的硒粉加入到上述制备的Na2SO3溶液中,在水浴锅中缓慢加热至80℃,得到澄清的淡黄色的Na2SeSO3溶液。称取0.225mol Cd(CH3COO)2·2H2O溶于2L去离子水中,然后加入10mL巯基乙酸,用1M的NaOH溶液调节混合夜的pH值为10-11,通入氮气。然后将200mL的Na2SeSO3溶液快速加入到上述混合液中,然后将溶液缓慢加热至100℃,使其回流5小时,然后停止加热,自然降温至室温,得到略显红色的溶胶。接着蒸发掉2/3的溶剂,加入乙醇,不断搅拌至出现沉淀为止,然后在高速离心机中分离出沉淀,沉淀分离后再用乙醇和无水乙醚洗涤得到CdSe量子点。制得的CdSe量子点尺寸在10nm以下,在360nm紫外光激发下发出波峰为550nm左右的光。取20mL氯仿,加入0.2g CdSe量子点和4g聚氯乙烯加入到氯仿中,在超声下使其均匀混合,使用旋涂的方法将混合溶液均匀地涂覆在125mm×125mm的单晶硅太阳能电池的表面,在真空条件下干燥1小时后,再经过60℃烘烤3小时让氯仿挥发,形成一层薄的透明光波转换膜,用300W的模拟太阳光照射,电流-电压曲线见图3。
实施例三:称取0.1mol Cd(CH3COO)2·2H2O溶于1.2L去离子水中,加入14.4mL的硫代丙三醇,搅拌均匀,用1M的氢氧化钠调节混合夜的pH值为6-7。在水浴锅中加热至70℃,保持10min。将100mL2M的硫代乙酰胺溶液加入上述溶液,加入氢氧化钠调节PH值到6-7之间。然后将溶液缓慢加热至90℃,使其回流10小时,然后停止加热,自然降温至室温,得到黄绿色透明液体。接着蒸发掉2/3的溶剂,加入乙醇,不断搅拌至出现沉淀为止,然后在高速离心机中分离出沉淀,沉淀分离后再用乙醇和无水乙醚洗涤得到CdS量子点。制得的CdS量子点尺寸在10nm以下,并在460nm蓝光激发下发出610nm左右的光。接着使用磺基琥珀酸双(2-甲基戊基)酯钠盐对CdS表面进行修饰。将5g甲基丙烯酸甲酯,0.5g修饰后的CdS加入到30mL水中,于80℃加热搅拌1小时,然后加入0.01g偶氮二异丁腈、0.01g过氧化苯甲酰和0.01g聚乙烯醇继续反应3小时冷却,使用喷涂的方法将混合溶液均匀地涂覆在125mm×125mm的单晶硅太阳能电池的表面,在真空条件下干燥1小时后,再经过100℃烘烤1小时让水挥发,形成一层薄的透明光波转换膜,用300W的模拟太阳光照射,电流-电压曲线见图4。
Claims (8)
1、一种高效太阳能电池光波转换纳米复合材料,包括机聚合物、纳米微粒,其特征在于纳米微粒掺杂到有机聚合物中的比例范围在0.01-10wt%。
2、如权利要求1所述的高效太阳能电池光波转换纳米复合材料,其特征在于有机聚合物采用聚氯乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯或聚二甲基硅氧烷或聚酰亚胺在400nm到900nm范围内的光有很高的透过率、化学和热稳定性高的透明有机化合物。
3、如权利要求1所述的高效太阳能电池光波转换纳米复合材料,其特征在于纳米微粒采用CdS或CdSe或ZnS或ZnO或TiO2或C或Si或Al2O3或Ge或InP或SiC或PbS或PbSe或GaAs尺寸在10nm以下,紫外和400nm以内的紫光激发下可以发出波长在500nm-700nm范围的可见光、化学和热稳定性高的量子点。
4、一种高效太阳能电池光波转换纳米复合材料的制备工艺,其特征在于工艺步骤包括:(1)准备纳米微粒的材料,根据上述权利要求2和3选择材料(2)采用物理或化学混合:物理混合包括纳米微粒或表面修饰活性基团的纳米微粒掺入有机聚合物的液态形式,然后固化;纳米微粒或表面修饰活性基团的纳米微粒和有机聚合物在一定溶剂中混合,然后将溶剂挥发;化学混合包括:纳米微粒的表面修饰;纳米微粒和有机聚合物的单体在一定溶剂中混合;通过反应使单体形成聚合物(3)将上述复合材料涂布在太阳能电池表面形成透明光波转换薄膜层。
5、如权利要求4所述的高效太阳能电池光波转换纳米复合材料的制备方法,其特征在于纳米微粒由包括化学液相合成或化学固相合成或化学气相合成或电解或电镀或溅射或蒸发或离子束生长的方法制备所得。
6、如权利要求4所述的高效太阳能电池光波转换纳米复合材料的制备方法,其特征在于物理、化学制备步骤中的表面修饰剂采用巯基丙三醇或硫脲或疏萘剂或磺基琥珀酸双2-甲基戊基酯钠盐或四硫富瓦烯四硫醇盐或十二烷基硫酸钠。
7、如权利要求4所述的高效太阳能电池光波转换纳米复合材料的制备方法,其特征在于物理、化学混合使用的溶剂包括水、酒精、丙酮、环氧树脂、硅胶、氯仿。
8、如权利要求4所述的高效太阳能电池光波转换纳米复合材料的制备方法,其特征在于涂布在太阳能电池表面形成透明光波转换薄膜层采用丝网印刷或旋涂或喷涂或化学沉积或电化学沉积的方法。
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PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C12 | Rejection of a patent application after its publication | ||
RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |