CN102208480A - 太阳能电池用光转换氟化物纳米粒子的制备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种太阳能电池用光转换氟化物纳米粒子的制备，其特征在于：采用水热-溶剂热、微乳液方法合成纳米粒子，并将稀土离子掺杂进纳米粒子中，并将稀土离子掺杂入碱土金属氟化物SrF₂、CaF₂和稀土氟化物REF₃、NaREF₄、RE＝La、Y等惰性稀土元素。其将可见、长波长红外光等太阳光分别转换为波长为1100nm左右波长的红外光的高效光转换材料。

Description

太阳能电池用光转换氟化物纳米粒子的制备

技术领域：

本发明涉及一种太阳能电池用光转换氟化物纳米粒子的制备，属于合成光转换材料。

背景技术：

在世界范围内迫切需要开发和利用新能源和可再生能源，其中太阳能是世界能源结构转换中理想的替代能源；目前，世界各国政府均大力扶持太阳能光伏发电技术的研究与开发，并积极推进其产业化进程。而目前市场上的太阳能电池产品是晶体硅太阳能电池，主要是通过改善材料的处理工艺来提高硅电池的光电转换效率，但仅靠材料处理工艺的改进已经很难进一步提高能量的转换效率。硅半导体具有固定的带隙(1.12eV)，因而无法将自然的太阳光能量完全吸收转换，只有波长小于1100nm的太阳光才能够在硅晶体中实现光电转换，而波长大于1100nm的红外光则无法被利用；另一方面，硅晶体对太阳光有效响应频谱的下限是400nrn，波长小于400nin的紫外光也无法被硅太阳能电池所利用。长波长光子(λ＞1000nm)没有足够的能量来形成电子空穴对，它们只是穿过电池，这部分光子对太阳能的电池转换效率没有贡献；但其他一些光子的能量却很强。如果光子的能量比所需的能量多，则多余的能量会损失掉；因此，晶体硅对太阳光谱的有限利用已经成为制约硅太阳能电池能量转换效率的一个重要因素。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种太阳能电池用光转换氟化物纳米粒子的制备，其将可见、长波长红外光等太阳光分别转换为波长为1100nm左右波长的红外光的高效光转换材料。

本发明的技术方案是这样实现的：太阳能电池用光转换氟化物纳米粒子的制备，其特征在于具体如下：

1、光转换光学活性组分：①稀土离子对(Er³⁺-Yb³⁺，Pr³⁺-Yb³⁺，Tm³⁺-Yb³⁺，Tb³⁺-Yb³⁺，Ho³⁺-Yb³⁺)掺杂纳米氟化物上转换活性组分

首先采用水热—溶剂热、微乳液方法合成纳米粒子，并将稀土离子掺杂进纳米粒子中，并将稀土离子掺杂入碱土金属氟化物SrF₂、CaF₂和稀土氟化物REF₃、NaREF₄、RE＝La、Y等惰性稀土元素。

②活性组分宽带敏化吸收，光下转换材料在可见光波段的吸收以及光上转换材料在红外波段的吸收都要求是宽带吸收；分别调整不同掺杂离子以加宽材料的吸收带宽。

③通过向活性组分中加入不同的敏化离子，与稀土离子共掺杂，以提高光转化材料的转换效率。

④聚合物基体材料的选择，必须使纳米粒子与基体材料的折射率匹配，以减少或消除因折射率差异而引起的光色散；根据Trupke太阳能电池模型，下转换材料位于太阳能材料的前部，

⑤分散上述光学活性组分于聚合物单体或其溶液中并采用本体聚合或旋涂的方法制备聚合物基复合材料，并对复合材料内粒子分布、复合材料的光转换光学性质进行表征。

本发明的积极效果是采用绳子能量较低的纳米氟化物作为光学活性组分的基质以提高其量子效率外，同时研究不同碱金属离子(K⁺，Li⁺)作为激活剂与稀土离子对共掺杂，以提高光学活性组分的转换效率；下转换材料位于太阳能材料的前部，会引起入射光的反射与散射，从而导致太阳光能量损失，因此，减少或避免太阳光通过复合材料时的能量损失，对于提高太阳能电池转换效率起着重要作用；针对不同波段可见光探寻最佳的转换途径，以期获得较高的转换效率，最终达到提高太阳能电池转换效率的目的。

具体实施方式：

下面结合实施例对本发明做进一步的描述：

实施例1：

上、下转换宽带敏化吸收材料都是以Yb³⁺离子作敏化离子，然而Yb³⁺离子在1000nm左右的f-f吸收是一个相对较窄的吸收，而对于光转换材料而言，材料吸收带宽越宽越有利于光转换材料效率的提高，从而达到提高太阳能电池转换效率的目的；上转换材料的V³⁺、Cr³⁺及Mo³⁺，以及对应于下转换材料的Eu²⁺、Ce³⁺分别与各种材料的最佳掺杂浓度以及稀土离子对的相对掺杂浓度，寻求不同波长太阳光的最佳转换材料。

光学活性组分的基质与聚合物基体材料的折射率之差应该小于0.02。几种不同氟化物与聚合物的折射率如表2所示；所选择聚合物的发射、吸收性质也是影响材料性能的主要因素。对于光转换材料来说，主要应该考虑的是基体材料在1100nm左右的红外吸收，基体材料在此处的吸收将会降低太阳能电池的转换效率，因此基体材料在此波长附近的吸收应该被避免。根据Trupke太阳能电池模型，下转换材料位于太阳能电池板的前端，而上转换材料则位于太阳能电池板的尾端，因此，对于下转换材料而言，基体材料在可见光区域应该是透明的而且红外区无吸收；而对于上转换材料而言，基体材料在材料的应该在红外区无吸收。

表2 几种不同的氟化物与聚合物折射率

①得到针对不同可见光波长的下转换粉体材料，将不同波长可见光转换为1000nm左右的近红外光，可见-近红外光转换效率达到140％以上，粒径控制在20-30nm以内。

②得到针对不同较长波长红外光的上转换粉体材料，将不同波长红外光上转换为1000nm左右的近红外光，通过敏化离子的加入，以提高红外一红外光转换效率，红外光上转换效率10％左右，粒子粒径控制在20-30nm以内。

③获得具有光转换作用的光学功能复合材料，下转换材料的红外光的透过率达60％以上，将复合材料应用于太阳能电池上，提高太阳能电池的转换效率0.5％以上。

将长波长的红外光(λ＞1100nm)转换为可被太阳能电池吸收的波长为1000nm左右的短波长红外光；另一方面，合成通过下转换将短波长可见光通过多光子发射转换成可被太阳能电池吸收的波长1000nm左右的近红外光。

采用微乳液、水热—溶剂热等方法合成太阳能用光下转换材料光学活性组分——稀土离子对掺杂的氟化物纳米粒子，并控制其形貌与粒径。微乳液法合成纳米粒子可以通过控制体系中水含量的方法控制所合成纳米粒子粒径。微乳液合成纳米粒子半径R＝1.5ω(nm)，ω为微乳体系中水与表面活性剂的比值(ω＝[H₂O]/[S])，其中S表示表面活性剂。由公式，我们可以看出，在保持体系中其他成分不变的情况下，改变体系的水含量可以达到控制粒子粒径的目的。水热—溶剂热方法合成纳米氟化物也可以通过控制体系原料初始配比、反应时间、反应温度等各种条件以控制所合成粒子的尺寸。通过改变不同的基质、合成条件以及不同的掺杂稀土离子对及其浓度以期提高可见光转换效率进而提高太阳能电池的光电转换效率。

通过敏化离子，如应用于上转换材料的V³⁺、Cr³⁺及Mo³⁺，以及对应于下转换材料的Eu²⁺、Ce³⁺等的加入以加宽材料的可见以及红外吸收光谱，以期更有效利用太阳能量和最大化的提高太阳能电池的转换效率。

Claims (1)

1.太阳能电池用光转换氟化物纳米粒子的制备，其特征在于具体如下：

1、光转换光学活性组分：①稀土离子对(Er³⁺-Yb³⁺，Pr³⁺-Yb³⁺，Tm³⁺-Yb³⁺，Tb³⁺-Yb³⁺，Ho³⁺-Yb³⁺)掺杂纳米氟化物上转换活性组分

首先采用水热—溶剂热、微乳液方法合成纳米粒子，并将稀土离子掺杂进纳米粒子中，并将稀土离子掺杂入碱土金属氟化物SrF₂、CaF₂和稀土氟化物REF₃、NaREF₄、RE＝La、Y等惰性稀土元素。

②活性组分宽带敏化吸收，光下转换材料在可见光波段的吸收以及光上转换材料在红外波段的吸收都要求是宽带吸收；分别调整不同掺杂离子以加宽材料的吸收带宽。

③通过向活性组分中加入不同的敏化离子，与稀土离子共掺杂，以提高光转化材料的转换效率。

④聚合物基体材料的选择，必须使纳米粒子与基体材料的折射率匹配，以减少或消除因折射率差异而引起的光色散；根据Trupke太阳能电池模型，下转换材料位于太阳能材料的前部，

⑤分散上述光学活性组分于聚合物单体或其溶液中并采用本体聚合或旋涂的方法制备聚合物基复合材料，并对复合材料内粒子分布、复合材料的光转换光学性质进行表征。