CN102321476A - 一种近红外量子剪裁透明薄膜及其制备方法 - Google Patents

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曲铭浩
严辉
张铭
王波
宋雪梅
朱满康
侯育冬
刘晶冰
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Abstract

一种近红外量子剪裁透明薄膜及其制备方法，属于固体发光材料领域。薄膜的材料组成为：Y2O3、Bi2O3和Yb2O3，其中Bi2O3摩尔分数为0.25～1％，Yb2O3摩尔分数为0.5～5％。制备方法是在Y2O3粉体中加入Bi2O3粉体和Yb2O3的粉体，球磨混合，烘干后在1200℃煅烧12h，采用热压法压制成陶瓷靶材；利用激光脉冲沉积方法，以硅片或石英为衬底，通入O2，衬底温度为400～800℃，靶基距为5～8cm，工作气压为0.5～10Pa，激光能量为100～400mJ/脉冲。该薄膜在紫外光激发下能实现高效的近红外量子剪裁下转换发光，有望降低硅太阳电池的热化效应，提高电池的光电转换效率。

Description

一种近红外量子剪裁透明薄膜及其制备方法
技术领域
本发明属于固体发光材料领域，尤其是涉及一种能够实现高效近红外量子剪裁下转换发光的稀土掺杂透明薄膜及其制备工艺。
背景技术
太阳能电池光伏发电是一种清洁、安全的可再生能源，由于受到原理、结构以及材料等诸多方面的限制，传统结构太阳能电池效率的提升面临着重大挑战。硅作为最常见、最重要的半导体材料，不仅是电子芯片、集成电路的基础材料，也在光伏产业中发挥着绝对的主导作用。由于硅太阳电池将长期处于统治地位，因此开展提高硅太阳电池对光的利用效率的研究具有极其重要的意义。然而由于受到半导体硅带隙的制约作用，大约有30％的太阳光辐射能量因热损失而浪费，这成为制约太阳电池效率提高的瓶颈之一。即当电池吸收高能光子产生“热”载流子，“热”载流子弛豫导带底或价带顶，这部分能量以晶格热的形式损失，即为热损失。
将具有量子剪裁下转换效应的发光材料与太阳电池耦合，通过对太阳光谱进行调制有可能实现减少载流子的热损失，提高太阳电池效率。红外下转换材料的研究在最近几年取得了丰富的成果，从2005年首次发现红外量子剪裁现象的Tb3+-Yb3+离子对，到Tm3+-Yb3+、Pr3+-Yb3+等离子对，再到Ce3+-Yb3+、Eu2+-Yb3+离子对，在大量的材料中都观察到了红外量子剪裁现象。但是现在人们对下转换材料的研究还主要处于粉体，由于粉体对入射光散射严重，透明性差，限制了其在太阳电池上的实际应用。透明薄膜由于与硅太阳电池工艺兼容且具有高透明性，因此该材料在降低硅太阳电池热化效应、提高光电转换效率方面具有重要应用价值。
发明内容
本发明的目的是提供一种能有效提高硅基太阳能电池的工作效率的红外量子剪裁透明薄膜材料及其制备方法。
一种能有效提高硅基太阳能电池的工作效率的红外量子剪裁透明薄膜材料，其特征在于，由以下成分组成：Y2O3、Bi2O3和Yb2O3，其中Bi2O3摩尔分数为0.25～1％，Yb2O3摩尔分数为0.5～5％。
本发明所提供的一种能有效提高硅基太阳能电池的工作效率的红外量子剪裁透明薄膜材料制备方法，包括以下步骤：
(1)在Y2O3粉体中加入Bi2O3粉体和Yb2O3粉体，其中Bi2O3粉体摩尔分数为0.25～1％，Yb2O3粉体摩尔分数为0.5～5％，然后球磨混合，烘干后在1200℃煅烧12h，将此粉体采用热压法压制成陶瓷靶材。
(2)采用步骤(1)制成的Y2O3:Bi，Yb陶瓷靶材，利用激光脉冲沉积方法，制备薄膜材料：以硅片或石英为衬底，通入纯度为99.999％的O2，衬底温度为400～800℃，靶基距为5～8cm，工作气压为0.5～10Pa，激光能量为100～400mJ/脉冲。上述衬底温度优选700℃，靶基距7cm，工作气压为1Pa，激光能量为350mJ/脉冲。
该透明薄膜能有效吸收300-400nm紫外光，在400-900nm可见光范围透过率超过90％，经量子剪裁过程，发射出两个能被硅基吸收的红外光子。将该透明薄膜沉积在硅太阳电池上表面，降低硅太阳电池的热化效应，提高电池的光电转换效率。
相对于现有技术，本发明具有如下优点和有益效果：
(1)本发明的红外量子剪裁材料能吸收紫外光，通过量子剪裁，高效转换成红外光，其量子效率超过152％，而目前一般的发光材料的量子效率都远低于100％。
(2)利用本发明提供一种新型的红外量子剪裁透明薄膜制备工艺与硅太阳电池工艺兼容，可以有效提高目硅基太阳能电池转换效率。由于硅太阳电池将长期处于统治地位，因此开展提高硅太阳电池对光的利用效率的研究具有极其重要的意义。目前硅太阳电池的极限效率为30％，硅的能带隙位于1000nm左右，与本发明中所提供的红外量子剪裁材料所发射的光波长匹配，因此，如果将此种红外量子剪裁透明薄膜直接沉积在硅太阳能电池的表面，吸收紫外光，经量子剪裁过程，发射出两个能被硅基吸收的红外光子，能有效改善目前太阳能电池工作效率低的状况。
附图说明
图1为实施例1制备的Y2O3:Bi，Yb陶瓷靶材的XRD图谱；
图2为实施例1制备的Y2O3:Bi，Yb薄膜的XRD图谱；
图3为实施例2制备的Y2O3:Bi，Yb薄膜的XRD图谱；
图4为实施例2制备的Y2O3:Bi，Yb薄膜在976nm波长监控下的激发光谱图；
图5为实施例2制备的Y2O3:Bi，Yb薄膜在331nm波长激发下的荧光光谱图；
图6为实施例3制备的Y2O3:Bi，Yb薄膜透过谱；
图7为实施例4制备的Y2O3:Bi，Yb薄膜在331nm波长激发下的荧光光谱图。
具体实施方式：
本发明制备的透明薄膜与硅太阳电池耦合，降低硅太阳电池的热化效应，提高电池的光电转换效率。可望开发成为一种新型的高效近红外量子剪裁下转换发光材料，在太阳电池领域具有广阔的应用前景。
实施例1
(1)在Y2O3粉体中加入Bi2O3粉体和Yb2O3的粉体，其中Bi2O3粉体摩尔分数为0.25％，Yb2O3粉体摩尔分数为2.5％，然后球磨混合，烘干后在1200℃煅烧12h，将此粉体采用热压法压制成陶瓷靶材。其陶瓷靶材的XRD图谱(见图1)完全符合Y2O3PDF 41-1105衍射标准谱。
(2)采用步骤(1)制成的Y2O3:Bi，Yb陶瓷靶材，利用激光脉冲沉积方法，以硅片为衬底，通入纯度为99.999％的O2，衬底温度为500℃，靶基距为6cm，工作气压为1Pa，激光能量为350mJ/脉冲，沉积时间为90min。得到纯相Y2O3薄膜，其XRD图谱见图2。用FLS920荧光光谱仪在331nm激发条件下测量室温发射谱，观察到对应于Yb3+:2F5/2→2F7/2跃迁的量子剪裁近红外光发射带(中心波长为976nm)。
实施例2
衬底温度为700℃，其它制备条件同实施例1，所得薄膜的XRD图谱见图3。用FLS920荧光光谱仪在331nm激发条件下测量室温发射谱，观察到对应于Yb3+:2F5/2→2F7/2跃迁的量子剪裁近红外光发射带(中心波长为976nm)。经测量其量子效率超过152％。
实施例3
(1)在Y2O3粉体中加入Bi2O3粉体和Yb2O3的粉体，其中Bi2O3粉体摩尔分数为0.25％，Yb2O3粉体摩尔分数为2.5％，然后球磨混合，烘干后在1200℃煅烧12h，将此粉体采用热压法压制成陶瓷靶材。其陶瓷靶材的XRD图谱(见图1)完全符合Y2O3PDF 41-1105衍射标准谱。
(2)采用步骤(1)制成的Y2O3:Bi，Yb陶瓷靶材，利用激光脉冲沉积方法，以石英片为衬底，通入纯度为99.999％的O2，衬底温度为700℃，靶基距为6cm，工作气压为1Pa，激光能量为350mJ/脉冲，沉积时间为90min。得到纯相透明Y2O3薄膜，其在400-800nm平均透过率超过90％，如图6所示。用FLS920荧光光谱仪在331nm激发条件下测量室温发射谱，观察到对应于Yb3+:2F5/2→2F7/2跃迁的量子剪裁近红外光发射带(中心波长为976nm)。经测量其量子效率超过152％。
实施例4
(1)在Y2O3粉体中加入Bi2O3粉体和Yb2O3的粉体，其中Bi2O3粉体摩尔分数为0.5％，Yb2O3粉体摩尔分数为5％，然后球磨混合，烘干后在1200℃煅烧12h，将此粉体采用热压法压制成陶瓷靶材。其陶瓷靶材的XRD图谱完全符合Y2O3 PDF41-1105衍射标准谱。
(2)采用步骤(1)制成的Y2O3:Bi，Yb陶瓷靶材，利用激光脉冲沉积方法，以硅片为衬底，通入纯度为99.999％的O2，衬底温度为700℃，靶基距为8cm，工作气压为1Pa，激光能量为350mJ/脉冲，沉积时间为90min。得到纯相Y2O3薄膜，用FLS920荧光光谱仪在331nm激发条件下测量室温发射谱，观察到对应于Yb3+:2F5/2→2F7/2跃迁的量子剪裁近红外光发射带(中心波长为976nm)，如图7所示。经测试其量子效率超过152％。

Claims (3)

1.一种能有效提高硅基太阳能电池的工作效率的红外量子剪裁透明薄膜材料，其特征在于，由以下成分组成：Y2O3、Bi2O3和Yb2O3，其中Bi2O3摩尔分数为0.25～1％，Yb2O3摩尔分数为0.5～5％。
2.一种能有效提高硅基太阳能电池的工作效率的红外量子剪裁透明薄膜材料制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在Y2O3粉体中加入Bi2O3粉体和Yb2O3粉体，其中Bi2O3粉体摩尔分数为0.25～1％，Yb2O3粉体摩尔分数为0.5～5％，然后球磨混合，烘干后在1200℃煅烧12h，将此粉体采用热压法压制成陶瓷靶材；
(2)采用步骤(1)制成的Y2O3:Bi，Yb陶瓷靶材，利用激光脉冲沉积方法，制备薄膜材料：以硅片或石英为衬底，通入纯度为99.999％的O2，衬底温度为400～800℃，靶基距为5～8cm，工作气压为0.5～10Pa，激光能量为100～400mJ/脉冲。
3.按照权利要求2的方法，其特征在于，步骤(2)衬底温度为700℃，靶基距7cm，工作气压为1Pa，激光能量为350mJ/脉冲。
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