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Abstract

一种具有上转换材料的太阳电池及其制备方法。太阳电池，包括有薄膜太阳电池、上转换器件和背反射层，薄膜太阳电池、上转换器件和背反射层通过乙烯－醋酸乙烯共聚物封装材料，依次结合在一起构成密封式电池整体。薄膜太阳电池为非晶硅薄膜太阳电池。上转换器件是由实现将近红外光谱转换为可见光的呈现粉末态物质、或玻璃态物质、或薄膜态物质。制备方法：采用常规方法制备薄膜太阳电池；制备上转换器件；制备背反射层；将上述三个阶段所得材料依次结合在一起制成具有上转换材料的太阳电池。本发明能够进一步提高太阳电池的光电转换效率。充分利用上转换材料的功能，将宽谱域红外上转换为可见光，将薄膜太阳电池与该具有上转换功能的材料相结合，形成一种新型高效太阳电池。

Description

具有上转换材料的太阳电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种太阳电池。特别是涉及一种通过电池利用上转换材料的功能可以充分利用太阳光谱，以便提高电池的光电转换效率的具有上转换材料的太阳电池及其制备方法。
背景技术
光伏发电是国际公认的解决能源短缺与环境污染问题的有效途径之一。为使光伏发电能够成为未来能源的重要组成部分，其关键是要将光伏发电成本降到与常规能源相当。因此，低成本、高效率太阳电池的研究则非常重要。
现有的太阳电池，无论是晶体硅太阳电池，还是薄膜太阳电池，由于本身材料带隙的限制，只能吸收太阳光谱中的可见光部分，将近50％的近红外太阳光不能很好地被利用。有文献报道将上转换材料和晶体硅太阳电池组合，在外量子效率上体现出了一定的效果。而实际上，对于薄膜太阳电池，应用上转换材料的潜力更大。比如非晶硅薄膜太阳电池其吸收的峰位在550nm，其吸收限也只能是到700nm。
为此，设想把现有电池不能吸收的光子“变成”能吸收的光子，通过上转换材料把至少两个低能量光子转换为一个高能量光子。适当的上转换材料，将可使前述的不能被电池吸收的光子“变成”能被电池吸收的光子。然而目前这种上转换材料主要应用于生物标识和激光器方面，还没有在薄膜太阳电池上应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种针对现有光伏太阳电池对太阳光谱域近红外光无法吸收利用的情况下，将上转换材料用到光伏太阳电池中，从而提高电池对太阳光谱的响应范围，以进一步提高电池的光电转换效率的具有上转换材料的太阳电池及其制备方法。
本发明所采用的技术方案是：一种具有上转换材料的太阳电池及其制备方法。其中具有上转换材料的太阳电池，包括有薄膜太阳电池、上转换器件和背反射层，所述的薄膜太阳电池、上转换器件和背反射层通过乙烯-醋酸乙烯共聚物封装材料，依次结合在一起构成密封式电池整体。
所述的薄膜太阳电池为非晶硅薄膜太阳电池。
所述的上转换器件是由实现将近红外光谱转换为可见光的呈现粉末态物质、或玻璃态物质、或薄膜态物质，其化学组成可以为氧化物、或卤化物、或硫化物的材料与低温固化材料的混合物。
所述的低温固化材料是聚二甲基硅氧烷，或环氧树脂。
所述的背反射层是一层或一层以上的，由能反射光的金属、或氧化物、或金属与氧化物的组合物构成的薄膜。
本发明的具有上转换材料的太阳电池的制备方法，包括有如下阶段：
(一)采用常规方法制备薄膜太阳电池；
(二)制备上转换器件；
(三)制备背反射层；
(四)将上述三个阶段所得材料依次结合在一起制成具有上转换材料的太阳电池。
第二阶段所述的制备上转换器件包括如下步骤：
(1)选用商业用上转换材料或通过水热技术合成的上转换材料，具体可采用呈现粉末态物质、或玻璃态物质、或薄膜态物质，其物质的化学组成可以是氧化物、或卤化物、或硫化物，其制备的方法可以是采用化学或物理方法；其上转换材料的功能可以实现将太阳光谱长波段的光转换为可见光；
(2)将上转换材料粉末和低温固化材料采用机械搅拌方法混合成胶状混合物，再通过模具和控制原材料的用量获得上转换薄层，其厚度为0.01-0.5cm；或将上转换材料粉末直接压成厚度为0.01-0.5cm的固体薄片。
所述的低温固化材料，是能够有效的将粉末状的上转换材料低温固化为固体的聚二甲基硅氧烷或环氧树脂。
第三阶段所述的制备背反射层具体：是在衬底上采用热蒸发或电子束蒸发制造技术，或溅射制造技术沉积具有不同折射率的、起有效背反射作用的金属或氧化物组合的复合背反射层，其材料可以为Al或Ag，即，是能将由上转换材料转换的可见光有效地反射，使其返回到电池中的能反射光的材料，所述的衬底是柔性薄片，包括玻璃或铝或金属薄片。
第四阶段所述的制成密封式具有上转换材料的太阳电池：是采用乙烯-醋酸乙烯共聚物封装材料，将上述三个阶段制得的薄膜太阳电池、上转换器件和背反射层依次结合在一起制成密封式具有上转换材料的太阳电池。
本发明的具有上转换材料的太阳电池及其制备方法，针对不同结构的太阳电池采用不同的组合方法，将具有上转换功能的材料应用到太阳电池中，进一步提高电池吸收太阳光谱的谱域，从而进一步提高太阳电池的光电转换效率。即，针对太阳光谱的充分利用，在现有薄膜太阳电池已经利用了一定范围的太阳光谱基础上，充分利用上转换材料的功能，将宽谱域红外上转换为可见光，将薄膜太阳电池与该具有上转换功能的材料相结合，形成一种新型高效太阳电池。
附图说明
图1是本发明的具有上转换材料的太阳电池的结构示意图；
图2是具有上转换材料的非晶硅薄膜太阳电池和没有上转换材料的非晶硅太阳电池的I-V特性测试结果；
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的具有上转换材料的太阳电池及其制备方法做出详细说明。
如图1所示，本发明的具有上转换材料的太阳电池，包括有薄膜太阳电池1、上转换器件2和背反射层3，所述的薄膜太阳电池1、上转换器件2和背反射层3通过乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)封装材料，依次结合在一起构成密封式电池整体。
在上述的具有上转换材料的太阳电池中，所述的薄膜太阳电池1为非晶硅薄膜太阳电池；所述的上转换器件2是由实现将近红外光谱转换为可见光的呈现粉末态物质、或玻璃态物质、或薄膜态物质，其化学组成可以为氧化物、或卤化物、或硫化物的材料与低温固化材料的混合物；所述的低温固化材料是聚二甲基硅氧烷(PDMS)，或环氧树脂；所述的背反射层3是一层或一层以上的，由能反射光的金属、或氧化物、或金属与氧化物的组合物构成的薄膜。
本发明的具有上转换材料的太阳电池的制备方法，包括有如下阶段：
(一)采用常规方法制备薄膜太阳电池，这里所述的薄膜太阳电池是非晶硅薄膜太阳电池；
(二)制备上转换器件，包括如下步骤：
(1)选用商业用上转换材料或通过水热等技术合成上转换材料，具体可采用呈现粉末态物质、或玻璃态物质、或薄膜态物质，其物质的化学组成可以是氧化物、或卤化物、或硫化物，其制备的方法可以是采用化学或物理方法。其上转换材料的功能可以实现将太阳光谱长波段的光转换为可见光；
(2)将上转换材料粉末和低温固化材料采用机械搅拌方法混合成胶状混合物，再通过模具和控制原材料的用量来获得上转换薄层，其厚度为0.01-0.5cm；或将上转换材料粉末直接压成厚度为0.01-0.5cm的固体薄片。所述的低温固化材料，是能够有效的将粉末状的上转换材料低温固化为固体的聚二甲基硅氧烷或环氧树脂。
(三)制备背反射层，具体如下：
是在衬底上采用热蒸发或电子束蒸发制造技术，或溅射制造技术沉积具有不同折射率的、起有效背反射作用的金属或氧化物组合的复合背反射层，其材料可以为Al或Ag，即，是能将由上转换材料转换的可见光有效地反射，使其返回到电池中的能反射光的材料，所述的衬底是柔性薄片，包括玻璃或铝或金属薄片。
(四)将上述三个阶段所得材料依次结合在一起制成具有上转换材料的太阳电池，具体如下：
是采用乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)封装材料，将上述三个阶段制得的薄膜太阳电池、上转换器件和背反射层依次结合在一起制成密封式具有上转换材料的太阳电池。
图2所示，是具有上转换材料的非晶硅薄膜太阳电池和没有上转换材料的非晶硅太阳电池的I-V特性测试结果图，其中：a是应用上转换材料的非晶硅薄膜太阳电池的参数曲线；b是非晶硅太阳电池的参数曲线。
实例1：
(一)采用常规方法制备非晶硅薄膜太阳电池；
(二)制备上转换器件，包括如下步骤：
(1)选用商业用呈现粉末态物质NaYF4:Er作为可以将太阳光谱长波段近红外光转换为可见光的上转换材料。
(2)将上转换材料粉末和聚二甲基硅氧烷采用机械搅拌方法混合成胶状混合物，再通过模具和控制混合成的胶状混合物的用量制成厚度为0.1cm的上转换薄层；
(三)制备背反射层，具体如下：
是在玻璃衬底上采用热蒸发制造技术沉积具有背反射作用的Al的复合背反射层；
(四)采用乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)封装材料，将上述三个阶段分别制得的硅薄膜太阳电池、上转换器件和背反射层依次粘合在一起并封装制成密封式具有上转换材料的硅薄膜太阳电池。
实例2
(一)采用常规方法制备非晶硅薄膜太阳电池；
(二)制备上转换器件，包括如下步骤：
(1)选用商业用呈现粉末态物质NaYF4:Er作为可以将太阳光谱长波段近红外光转换为可见光的上转换材料。
(2)将上转换材料粉末直接压成厚度为0.2cm的固体薄片；
(三)制备背反射层，具体如下：
是在玻璃衬底上采用热蒸发制造技术沉积具有背反射作用的Al的复合背反射层；
(四)采用乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)封装材料，将上述三个阶段分别制得的硅薄膜太阳电池、上转换器件和背反射层依次粘合在一起并封装制成密封式具有上转换材料的硅薄膜太阳电池。

Claims (10)

1.一种具有上转换材料的太阳电池，其特征在于，包括有薄膜太阳电池(1)、上转换器件(2)和背反射层(3)，所述的薄膜太阳电池(1)、上转换器件(2)和背反射层(3)通过乙烯-醋酸乙烯共聚物封装材料，依次结合在一起构成密封式电池整体。
2.根据权利要求1所述的具有上转换材料的太阳电池，其特征在于，所述的薄膜太阳电池(1)为非晶硅薄膜太阳电池。
3.根据权利要求1所述的具有上转换材料的太阳电池，其特征在于，所述的上转换器件(2)是由实现将近红外光谱转换为可见光的呈现粉末态物质、或玻璃态物质、或薄膜态物质，其化学组成可以为氧化物、或卤化物、或硫化物的材料与低温固化材料的混合物。
4.根据权利要求4所述的具有上转换材料的太阳电池，其特征在于，所述的低温固化材料是聚二甲基硅氧烷，或环氧树脂。
5.根据权利要求1所述的具有上转换材料的太阳电池，其特征在于，所述的背反射层(3)是一层或一层以上的，由能反射光的金属、或氧化物、或金属与氧化物的组合物构成的薄膜。
6.一种权利要求1所述的具有上转换材料的太阳电池的制备方法，其特征在于，包括有如下阶段：
(一)采用常规方法制备薄膜太阳电池；
(二)制备上转换器件；
(三)制备背反射层；
(四)将上述三个阶段所得材料依次结合在一起制成具有上转换材料的太阳电池。
7.根据权利要求6所述的具有上转换材料的太阳电池的制备方法，其特征在于，第二阶段所述的制备上转换器件包括如下步骤：
(1)选用商业用上转换材料或通过水热技术合成的上转换材料，具体可采用呈现粉末态物质、或玻璃态物质、或薄膜态物质，其物质的化学组成可以是氧化物、或卤化物、或硫化物，其制备的方法可以是采用化学或物理方法；其上转换材料的功能可以实现将太阳光谱长波段的光转换为可见光；
(2)将上转换材料粉末和低温固化材料采用机械搅拌方法混合成胶状混合物，再通过模具和控制原材料的用量获得上转换薄层，其厚度为0.01-0.5cm；或将上转换材料粉末直接压成厚度为0.01-0.5cm的固体薄片。
8.根据权利要求7所述的具有上转换材料的太阳电池的制备方法，其特征在于，所述的低温固化材料，是能够有效的将粉末状的上转换材料低温固化为固体的聚二甲基硅氧烷或环氧树脂。
9.根据权利要求6所述的具有上转换材料的太阳电池的制备方法，其特征在于，第三阶段所述的制备背反射层具体：是在衬底上采用热蒸发或电子束蒸发制造技术，或溅射制造技术沉积具有不同折射率的、起有效背反射作用的金属或氧化物组合的复合背反射层，其材料可以为Al或Ag，即，是能将由上转换材料转换的可见光有效地反射，使其返回到电池中的能反射光的材料，所述的衬底是柔性薄片，包括玻璃或铝或金属薄片。
10.根据权利要求6所述的具有上转换材料的太阳电池的制备方法，其特征在于，第四阶段所述的制成密封式具有上转换材料的太阳电池：是采用乙烯-醋酸乙烯共聚物封装材料，将上述三个阶段制得的薄膜太阳电池、上转换器件和背反射层依次结合在一起制成密封式具有上转换材料的太阳电池。
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