CN102569515B - 纳米金字塔陷光结构的近红外量子剪裁薄膜的制备方法 - Google Patents

纳米金字塔陷光结构的近红外量子剪裁薄膜的制备方法 Download PDF

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Abstract

纳米金字塔陷光结构的近红外量子剪裁薄膜的制备方法属于太阳能电池领域。该薄膜同时具有减反陷光及近红外量子剪裁下转换作用。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，80℃烘干。将烘干后的粉体放置于磨具中，在15MPa下压10分钟，得到直径为2cm，厚度为5mm的圆片，将此圆片在1100℃-1300℃煅烧20-24h，制成陶瓷靶材。利用激光脉冲沉积方法，以硅片为衬底，通入O2，衬底温度为500～800℃，靶基距为6～8cm，工作气压为3～7Pa，激光能量为200～400mJ/脉冲。该薄膜在紫外光到近红外具有良好的减反陷光作用，且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表面的反射及热化效应，提高电池的光电转换效率。

Description

纳米金字塔陷光结构的近红外量子剪裁薄膜的制备方法
技术领域
本发明属于太阳能电池领域，尤其是涉及一种能够实现提高硅太阳电池效率的具有纳米金字塔陷光结构的高效近红外量子剪裁下转换发光的稀土掺杂薄膜及其制备工艺。
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。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。硅具有高的折射率，一般在裸硅表面太阳光的反射率达到了30％以上，使得从紫外到近红外大量的光被反射掉，入射到太阳能电池内部的光子数减少，造成光生载流子数减少，进而降低了电池的光电转换效率。同时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，这也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。
将同时具有减反陷光结构和量子剪裁下转换效应的材料与太阳电池耦合，通过减少硅太阳电池表面反射并对太阳光谱进行调制以实现减少载流子的热损失，提高太阳电池效率。减少硅太阳电池表面反射是提高太阳电池效率的一种重要方法。最近证明具有周期性结构小于入射光波长(子波长Subwavelength)的纳米结构是一种很好的减反陷光结构。但这种子波长结构的制备常需要比较复杂的工艺，如纳米平版印刷术(nanolithography)自掩模等离子体刻蚀(selfmasking plasma etching)及聚合物复制(polymerreplication)等方法。近红外量子剪裁下转换材料的研究在最近几年取得了丰富的成果，在大量的材料中都观察到了近红外量子剪裁现象。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。我们通过一步方法制备了同时具有近红外量子剪裁下转换及纳米金字塔陷光结构薄膜，其工艺简单且与硅太阳电池工艺相兼容。因此该材料在降低硅太阳电池表面反射及热化效应、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同时具有纳米子波长陷光减反结构及下转换发光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具有纳米子波长陷光结构的红外量子剪裁薄膜材料，其特征在于(1)薄膜具有纳米金字塔陷光结构，(2)薄膜能实现近红外量子剪裁，(3)该薄膜制备工艺简单且与硅太阳电池相兼容。
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同时具有纳米金字塔陷光减反结构和量子剪裁下转换效应的材料制备方法，包括以下步骤：
(1)在Y2O3粉体中掺入适量Bi2O3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，80℃烘干。将烘干后的粉体放置于磨具中，在15MPa下压10分钟，得到直径为2cm，厚度为5mm的圆片，将此圆片在1100℃-1300℃煅烧20-24h，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：以硅片为衬底，通入O2，衬底温度为500～800℃，靶基距为6～8cm，工作气压为3～7Pa，激光能量为200～400mJ/脉冲。上述衬底温度优选700℃，靶基距8cm，工作气压为5Pa，激光能量为350mJ/脉冲。
该薄膜具有的纳米金字塔结构能有效实现减反陷光作用，并且该薄膜能有效吸收300-400nm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。将该薄膜沉积在硅太阳电池上表面，能有效减少硅表面太阳电池反射，同时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)本发明的具有纳米金字塔陷光结构的近红外量子剪裁薄膜能同时实现减反陷光及量子剪裁作用。
(2)本发明提供的一种具有纳米金字塔陷光结构的近红外量子剪裁薄膜其平均反射率由裸硅表面35％降低到15.8％，且其工艺简单。
(2)利用本发明提供一种具有纳米金字塔陷光结构的近红外量子剪裁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。硅具有高的折射率，一般在裸硅表面太阳光的反射率达到了30％以上，使得大量的太阳光被反射掉，入射到电池内部的光子数减少，光生载流子数也随之减少，降低了短路电流，从而电池的光电转换效率降低。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，如果将此种同时具有纳米金字塔减反陷光及红外量子剪裁功能的薄膜直接沉积在硅太阳能电池的表面，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1制备的Y2O3:Bi，Yb薄膜的表面SEM图；
图4为实施例1制备的Y2O3:Bi，Yb薄膜断面SEM图；
图5为实施例1制备的Y2O3:Bi，Yb薄膜的反射谱；
图6实施例1制备的Y2O3:Bi，Yb薄膜在976nm波长监控下的激发光谱图；
图7为实施例1制备的Y2O3:B1，Yb薄膜在331nm波长激发下的发射光谱图；
图8为实施例2制备的Y2O3:Bi，Yb薄膜的XRD图谱；
图9为实施例2制备的Y2O3:Bi，Yb薄膜的表面SEM图；
图10为实施例2制备的Y2O3:Bi，Yb薄膜的反射谱；
图11为实施例3制备Y2O3:Bi，Yb薄膜的表面SEM图。
具体实施方式
本发明制备的薄膜与硅太阳电池耦合，减少硅太阳电池表面反射，同时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同时具有高效减反陷光及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粉体中掺入适量的Bi2O3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2.5％，然后球磨混合，80℃烘干。将烘干后的粉体放置于磨具中，在15MPa下压10分钟，得到直径为2cm，厚度为5mm的圆片，将此圆片在1100℃煅烧24h，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700℃，靶基距为8cm，工作气压为5Pa，激光能量为350mJ/脉冲，沉积时间为60min。得到纯相Y2O3薄膜，其XRD图谱见图2。通过SEM测试发现所制备的薄膜表面具有纳米金字塔结构(见图3，4)，进一步通过紫外到近红外反射谱测试发现这种具有纳米金字塔结构的薄膜具有良好的减反陷光作用，其400-900nm平均反射率为15.8％，较裸硅表面35％的平均反射率有较大的降低(见图5)。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)，能有效降低硅太阳电池热化效应、提高光电转换效率。
实施例2
在Y2O3粉体中掺入适量的Bi2O3和Yb2O3的粉体，其中Bi2O3粉体摩尔分数为1％，Yb2O3粉体摩尔分数为0.5％，然后球磨混合，80℃烘干。将烘干后的粉体放置于磨具中，在15MPa下压10分钟，得到直径为2cm，厚度为5mm的圆片，将此圆片在1200℃煅烧20h，制成陶瓷靶材。其陶瓷靶材的XRD图谱完全符合Y2O3PDF41-1105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800℃，靶基距为5cm，工作气压为3Pa，激光能量为400mJ/脉冲，沉积时间为60min。所得薄膜的XRD图谱见图8。通过SEM测试发现所制备的薄膜表面具有纳米金字塔结构(见图9)，进一步通过紫外到近红外反射谱测试发现这种具有纳米金字塔结构的薄膜具有良好的减反陷光作用(见图10)。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5％，然后球磨混合，80℃烘干。将烘干后的粉体放置于磨具中，在15MPa下压10分钟，得到直径为2cm，厚度为5mm的圆片，将此圆片在1300℃煅烧20h，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，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7Pa，激光能量为200mJ/脉冲，沉积时间为60min。其表面具有纳米金字塔结构(如图11)，此具有纳米金字塔结构的薄膜具有良好的减反陷光作用。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)。

Claims (2)

1.纳米金字塔陷光结构的近红外量子剪裁薄膜的制备方法，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，80℃烘干；将烘干后的粉体放置于磨具中，在15MPa下压10分钟，得到直径为2cm，厚度为5mm的圆片，将此圆片在1100℃-1300℃煅烧20-24h，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：以硅片为衬底，通入O2，衬底温度为500～800℃，靶基距为6～8cm,工作气压为3～7Pa,激光能量为200～400mJ/脉冲。
2.按照权利要求1所述的纳米金字塔陷光结构的近红外量子剪裁薄膜的制备方法，其特征在于，步骤（2）衬底温度为700℃，靶基距8cm,工作气压为5Pa，激光能量为350mJ/脉冲。
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