CN102254986A - 一种新型太阳能电池荧光增效薄膜材料的制备 - Google Patents

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Abstract

一种新型太阳能电池荧光增效薄膜材料的制备，首先以SiO2、Al2O3、PbF2、CdF2和稀土离子氧化物为基质材料通过高温固相熔融法制备玻璃前躯体，再采用热诱导腐蚀法制备高掺稀土的氟化物纳米晶，即在玻璃前驱体中可控生长氟化物纳米晶发光颗粒，然后利用氢氟酸腐蚀掉具有掺稀土的纳米晶周围的氧化物基质并释放出氟化物纳米晶。本发明的优点是：制备方法简单，易于实施；利用该材料制得的荧光增效层不仅在CIGS太阳能电池的长波区基本没有光吸收，还能有效的将CIGS太阳能电池不能利用的短波区太阳光转换为长波区荧光，提高了CIGS太阳能电池的光电量子转换效率。

Description

一种新型太阳能电池荧光增效薄膜材料的制备
【技术领域】
本发明属于光学材料技术领域，具体为一种新型太阳能电池荧光增效薄膜材料的制备。
【技术背景】
太阳能光伏发电技术是人类解决能源危机的有效途径之一。美国政府提出″百万太阳能屋顶计划″、日本政府制定″新阳光计划″、欧盟国家的可再生能源白皮书及″起飞运动″和我国《可再生能源法》的制定和颁布等使太阳能光伏产业成为全球发展最快的新兴行业之一。太阳能电池大致上可分为堆积型和薄膜型两种，薄膜型太阳能电池以其廉价、高效和性能稳定并在大面积电池的研制和规模化生产中显现出其它电池无法比拟的优势，其中Cu(In，Ga)Se2(简称CIGS)化合物太阳能电池的光电转换效率位于各类薄膜太阳电池之首，达到19.9％。
CIGS薄膜电池的研究内容始终是如何提高其光电转换效率，但是CIGS薄膜电池材料的禁带宽度决定了该类材料只能有效利用长波区520nm-1100nm的太阳光，而短波区的太阳光由于得不到有效的光电转换而被浪费。如果能够将短波区的太阳光通过荧光转换材料转换成CIGS薄膜电池能够吸收的长波长光，那么该类器件光电转化的量子效率将会大幅度提高。这类具有荧光转换效能并能提高CIGS薄膜太阳能电池光电转换量子效率的材料称之为荧光增效材料。该荧光增效材料必须具备：1)在CIGS薄膜电池有着高光电转换效率的长波区有较小吸收；2)能够在太阳光的辐照下将短波区的太阳光有效转换为长波区荧光。
【发明内容】
本发明的目的是针对上述技术分析，提供一种新型太阳能电池荧光增效薄膜材料的制备，利用该材料制得的荧光增效层不仅在CIGS太阳能电池的长波区基本没有光吸收，还能有效的将CIGS太阳能电池不能利用的短波区太阳光转换为长波区荧光，提高了CIGS太阳能电池的光电量子转换效率。
本发明的技术方案：
一种新型太阳能电池荧光增效薄膜材料的制备，步骤如下：
1)通过高温固相熔融法制备掺稀土纳米晶前躯体，即将SiO2、Al2O3、PbF2、CdF2和稀土离子氧化物按照化学计量比混合均匀，充分研磨后在1000℃温度条件下灼烧2小时，然后将熔融的玻璃液迅速倾倒在铁盘上快速冷却，后制得掺稀土纳米晶前躯体xSiO2-yAl2O3-zPbF2-(50-z)CdF2:aRe；
2)通过热诱导法在上述前躯体中构造zPbF2-(50-z)CdF2:aRe纳米微晶，即将掺稀土纳米晶前躯体在核化温度480-500℃下热处理5-8小时，然后冷却至室温；
3)通过酸腐蚀法去除氧化物基质，即将上述zPbF2-(50-z)CdF2:aRe纳米微晶充分研磨后加入浓度为10mol/L的氢氟酸腐蚀12.0小时，去除纳米微晶周围的氧化物基质，然后滴加碱液调节混合液pH值至6～7，然后加入表面活性剂十二烷基苯磺酸钠和聚苯乙烯或氯仿，制得掺稀土纳米微晶溶胶；
4)通过高速甩膜法获得具有波长转换效能的荧光增效层薄膜，即在≥2000r/min的转速下甩膜获得荧光增效层薄膜材料。
所述xSiO2-yAl2O3-zPbF2-(50-z)CdF2:aRe和zPbF2-(50-z)CdF2:aRe结构式中，Re为稀土离子镧、镨、钕、铕、铽、钬、铒、铥和镱的氧化物中的一种或两种以上任意组合；a为所述稀土离子的掺入摩尔百分比，a的取值范围为0＜a≤5％；x、y、z为化学表达式中各组分的摩尔比，x、y、z的取值范围为：15≤x≤50、0≤y≤50、0≤z≤50。
所述zPbF2-(50-z)CdF2:aRe纳米微晶与氢氟酸的用量比为0.1g∶10mL。
所述碱液为浓度为1mol/L的NaOH水溶液或浓度为0.5mol/L的氨水溶液。
所述zPbF2-(50-z)CdF2:aRe纳米微晶、十二烷基苯磺酸钠、聚苯乙烯或氯仿用量比为0.1g∶0.1-0.3g∶200mL。
本发明的优点是：该荧光增效层薄膜材料的制备方法简单，易于实施；将该该薄膜材料应用于CIGS太阳能电池时，利用该材料制得的荧光增效层不仅在CIGS太阳能电池的长波区基本没有光吸收，还能有效的将CIGS太阳能电池不能利用的短波区太阳光转换为长波区荧光，可大大提高CIGS太阳能电池的光电量子转换效率。
【附图说明】
附图是该新型荧光增效薄膜材料的波长转换光谱。
【具体实施方式】
实施例1：
1)依照化学表达式30SiO2-15Al2O3-10PbF2-40CdF2:5Er2O3各组分的摩尔比准确称量各个组分，充分研磨后在1000℃下灼烧2小时，然后将熔融的玻璃液迅速倾倒在铁盘上快速冷却，得到透明的氟氧化物玻璃前驱体；
2)将前驱体玻璃材料在480℃下热诱导8小时构造10PbF2-40CdF2:5Er2O3纳米微晶，然后冷却至室温；
3)取0.1克具有10PbF2-40CdF2:5Er2O3纳米微晶结构的前躯体玻璃充分研磨，加入10mL浓度为10mol/L的氢氟酸腐蚀12.0小时，去除纳米微晶周围的氧化物基质，滴加浓度为1mol/L的NaOH溶液调节混合液pH值至6-7，同时加表面活性剂十二烷基苯磺酸钠0.1g，并加入聚苯乙烯200mL获得掺稀土氟化物纳米晶溶胶；
4)在3500r/min的转速下利用甩膜的方式获得荧光增效层薄膜材料。
附图为新型荧光增效薄膜材料的波长转换光谱，图中显示：该荧光增效层薄膜材料能够有效地将短波区408nm和378nm的光转换为长波区的552nm、652nm和663nm的荧光，而CIGS太阳能电池在长波区光电转换效率较高，从而充分利用了太阳光的各个波段。
实施例2：
1)依照化学表达式30SiO2-15Al2O3-10PbF2-40CdF2:5Tm2O3各组分的摩尔比准确称量各个组分，充分研磨后在1000℃下灼烧2小时，然后将熔融的玻璃液迅速倾倒在铁盘上快速冷却，得到透明的氟氧化物玻璃前驱体；
2)将前驱体玻璃材料在500℃下热诱导5小时构造10PbF2-40CdF2:5Er2O3纳米微晶，然后冷却至室温；
3)取0.1克具有10PbF2-40CdF2:5Er2O3纳米微晶结构的前躯体玻璃充分研磨，加入10mL浓度为10mol/L的氢氟酸腐蚀12.0小时，去除纳米微晶周围的氧化物基质，滴加浓度为0.5mol/L的氨水溶液调节混合液pH值至6-7，同时加表面活性剂十二烷基苯磺酸钠0.1g，并加入氯仿200mL获得掺稀土氟化物纳米晶溶胶；
4)在3500r/min的转速下利用甩膜的方式获得荧光增效层薄膜材料。
实施例2样品表征结果与实施例1类似。
实施例3：
1)依照化学表达式30SiO2-15Al2O3-10PbF2-40CdF2:5Ho2O3各组分的摩尔比准确称量各个组分，充分研磨后在1000℃下灼烧2小时，然后将熔融的玻璃液迅速倾倒在铁盘上快速冷却，得到透明的氟氧化物玻璃前驱体；
2)将前驱体玻璃材料在500℃下热诱导5小时构造10PbF2-40CdF2:5Er2O3纳米微晶，然后冷却至室温；
3)取0.1克具有10PbF2-40CdF2:5Er2O3纳米微晶结构的前躯体玻璃充分研磨，加入10mL浓度为10mol/L的氢氟酸腐蚀12.0小时，去除纳米微晶周围的氧化物基质，滴加浓度为0.5mol/L的氨水溶液调节混合液pH值至6-7，同时加表面活性剂十二烷基苯磺酸钠0.3g，并加入氯仿200mL获得掺稀土氟化物纳米晶溶胶；
4)通过3500r/min的速度利用甩膜的方式获得荧光增效层薄膜材料。
实施例3的样品表征结果与实施例1类似。

Claims (5)

1.一种新型太阳能电池荧光增效薄膜材料的制备，其特征在于：步骤如下：
1）通过高温固相熔融法制备掺稀土纳米晶前躯体,即将SiO2、Al2O3、PbF2、CdF2和稀土离子氧化物按照化学计量比混合均匀，充分研磨后在1000℃温度条件下灼烧2小时，然后将熔融的玻璃液迅速倾倒在铁盘上快速冷却，后制得掺稀土纳米晶前躯体xSiO2-yAl2O3-zPbF2-(50-z)CdF2:aRe；
2）通过热诱导法在上述前躯体中构造zPbF2-(50-z)CdF2:aRe纳米微晶，即将掺稀土纳米晶前躯体在核化温度480-500℃下热处理5-8小时，然后冷却至室温；
3）通过酸腐蚀法去除氧化物基质，即将上述zPbF2-(50-z)CdF2:aRe纳米微晶充分研磨后加入浓度为10mol/L的氢氟酸腐蚀12.0小时，去除纳米微晶周围的氧化物基质，然后滴加碱液调节混合液pH值至6～7，然后加入表面活性剂十二烷基苯磺酸钠和聚苯乙烯或氯仿，制得掺稀土纳米微晶溶胶；
4）通过高速甩膜法获得具有波长转换效能的荧光增效层薄膜，即在≥2000r/min的转速下甩膜获得荧光增效层薄膜材料。
2.根据权利要求1所述新型太阳能电池荧光增效薄膜材料的制备，其特征在于：所述xSiO2-yAl2O3-zPbF2-(50-z)CdF2:aRe和zPbF2-(50-z)CdF2:aRe结构式中，Re为稀土离子镧、镨、钕、铕、铽、钬、铒、铥和镱的氧化物中的一种或两种以上任意组合；a为所述稀土离子的掺入摩尔百分比，a的取值范围为0＜a≤5％；x、y、z为化学表达式中各组分的摩尔比，x、y、z的取值范围为：15≤x≤50、0≤y≤50、0≤z≤50。
3.根据权利要求1所述新型太阳能电池荧光增效薄膜材料的制备，其特征在于：所述zPbF2-(50-z)CdF2:aRe纳米微晶与氢氟酸的用量比为0.1g：10mL。
4.根据权利要求1所述新型太阳能电池荧光增效薄膜材料的制备，其特征在于：所述碱液为浓度为1mol/L的NaOH水溶液或浓度为0.5mol/L的氨水溶液。
5.根据权利要求1所述新型太阳能电池荧光增效薄膜材料的制备，其特征在于：所述zPbF2-(50-z)CdF2:aRe纳米微晶、十二烷基苯磺酸钠、聚苯乙烯或氯仿用量比为0.1g：0.1-0.3g ：200mL。
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