CN102610685B - 用于太阳电池的等离子激元增强上转换器及其制备 - Google Patents

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Abstract

本发明属于太阳电池技术领域，特别涉及一种用于太阳电池的新型等离子激元辅助量子点增强上转换器及其制备方法。所述上转换器由纳米金属颗粒与上转换材料颗粒均匀分散于衬底上形成；其中所述的上转换材料由稀土离子掺杂的上转换发光材料、量子点材料构成，所述的量子点材料为窄带隙的半导体化合物。本发明利用纳米金属颗粒的表面等离子激元效应和量子点的宽光谱吸收特性，来增强上转换发光材料的光谱上转换量子效率，从而发出更多的可见光，提高电池效率。

Description

用于太阳电池的等离子激元增强上转换器及其制备
技术领域
本发明属于太阳电池技术领域，特别涉及一种用于太阳电池的等离子激元增强上转换器及其制备。
背景技术
随着社会和经济的高速发展，人类对能源的需求日益增长。光伏发电将会在未来可再生能源领域占有重要的组成部分。目前光伏产业进一步发展的最大制约因素在于其发电成本高于常规能源，因此开发高效、低价、长寿命太阳电池就成为了世界各国研究的热点。其中提高电池效率的途径之一是如何进一步提高太阳光的充分利用，这就涉及到先进光管理设计的研究。
实现光管理设计的方法之一是采用陷光-捕获技术。在传统的硅太阳电池中，陷光效应是借助于表面织构使以较大的角度散射从而提高有效光程。近年来在薄膜电池中实现有陷光效应的新方法是利用金属纳米结构来支持一种金属和介质表面传导电子激发的表面等离子。这种技术能使光聚集并折叠到半导体薄膜层中，从而利用金属纳米颗粒中的局域表面等离子以及金属/半导体界面的表面等离子激元效应提高光的吸收。
实现光管理设计的另一种途径是采用上转换发光材料。由于太阳电池材料禁带宽度的限制，使得太阳电池只能吸收太阳光谱中的可见光部分。如何能够将太阳光谱中的近红外光谱区充分利用起来，成为宽光谱高效电池关注的一个方向。目前，对于近红外光谱利用的一个研究热点就是上转换发光材料。上转换材料吸收低能量的红外光并转换为高能量的可见光，增加太阳电池对光的吸收，从而提高电池的效率。
量子点(QDs,quantum dots)主要是指尺寸在1-100nm的纳米材料，众所周知，量子点独特的随其本身尺寸大小变化而变化的物理、化学性能起因于量子尺寸效应。当量子点尺寸接近或小于激子玻尔半径时，便表现出有别于本体材料的物理化学性质的突变。此外量子点还具有激发波长范围较广、分布连续，发射波长较窄且呈高斯对称、Stockes位移大、荧光发射波长位置可由量子点粒径大小调控等特点，成为近年来研究的热点。如利用PbS量子点之制备红外探测器[Rempel A A,Kozhevnikova N S,Leenaers,et al,[J].J Cryst Growth ,2005
,280(1-2): 300-308]和太阳能接收器[Zhou Y, Itoh H, Uemura T, et al.[J].Langmiur, 2002,18(13):5287-5292]等已见报道。量子点的潜在用途主要包括三个方面;应用于通讯系统中的光学放大器、生物荧光探针以及应用于电致发光器件、光点检测器等。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于太阳电池的等离子激元增强上转换器，以进一步提高电池效率。
本发明采用的技术方案如下：
用于太阳电池的等离子激元增强上转换器，所述上转换器由纳米金属颗粒与上转换材料颗粒均匀分散于衬底上形成；其中所述的上转换材料由稀土离子掺杂的上转换发光材料、量子点材料构成，所述的量子点材料为窄带隙的半导体化合物。
本发明还提供了一种所述上转换器的制备方法：
1）先在衬底上制备金属薄膜，然后将上转换材料涂敷于金属薄膜上；在真空或惰性气氛中于200-300℃退火即得纳米金属颗粒与上转换材料颗粒均匀混合的等离子激元增强上转换器。
或者：
2）先在衬底上涂敷上转换材料，然后在上转换材料表面沉积金属薄膜，在真空或惰性气氛中于200-300℃退火后，即得纳米金属颗粒与上转换材料颗粒均匀混合的等离子激元增强上转换器。
其中，通过真空蒸发法或溅射法制备或沉积金属薄膜。
所述的上转换材料是由稀土离子掺杂的上转换发光材料和量子点材料构成的核/壳结构，核/壳结构以量子点材料为核，稀土离子掺杂的上转换发光材料为壳，壳层厚度为100-500nm。
所述的稀土离子掺杂的上转换发光材料为稀土离子掺杂的氧化物、氟化物、氯化物或者硫化物。
所述的量子点材料为PbS、PbSe、GaSb或HgSe，颗粒直径大小为5-30nm。
涂敷的上转换材料的厚度为0.1-1.0mm。
所述的金属薄膜为Ag或Au的薄膜，金属薄膜厚度为10～30nm。
所述的衬底为玻璃或陶瓷。
首先，上转换材料中的窄带隙量子点可大幅度的吸收近红外光,并产生大量的激发电子。这些电子一方面通过辐射复合跃迁到基态，同时发出光子并对上转换发光材料进行激发;另一方面,电子可通过量子效应跃迁至上转换发光材料的激发态进行上转换发射。这两方面均可提高稀土离子掺杂的上转换发光材料的上转换量子效率。因此，相对于单独用稀土离子掺杂的上转换发光材料，结合量子点材料的上转换材料能进一步增加太阳电池对光的吸收，从而提高电池效率。
其次，本发明采用金属颗粒与上转换发光材料组合的方法以最大限度地利用太阳光。在退火条件下，金属薄膜在表面张力作用下聚集，形成50-100nm直径的球形金属纳米颗粒阵列，部分更小尺寸的金属颗粒通过扩散作用，附着在上转换材料的表面，形成纳米金属颗粒与上转换材料颗粒的充分混合。由于纳米金属颗粒的局域表面等离子激元效应，使得上转换材料能更多地吸收透射进来的红外光，从而发出更多的可见光，有利于进一步提高电池效率。
本发明相对于现有技术，有以下优点：
本发明利用纳米金属颗粒的表面等离子激元效应和量子点的宽光谱吸收特性，来增强上转换材料的光谱上转换量子效率，从而发出更多的可见光，提高电池效率。
附图说明
图1为典型的具有上转换器的太阳电池结构；其中1为硅基太阳电池；2为上转换器，作用为吸收未被电池吸收的红外区域光，转换为能被电池吸收的可见光；3为背反射层，可以为玻璃态物质或金属氧化物的透明薄膜，其作用是反射上转换器发出的光，使光重新进入电池从而增加电池的吸收。
图2、3为退火前上转换器的结构示意图，3为金属薄膜，4为制备的核/壳结构的PbS/NaYF4：18%Yb3+,2%Er3+发光材料； 5为玻璃衬底；图中实心圆代表量子点，长方形代表稀土离子掺杂的发光材料。图2中上转换材料层涂覆于金属膜上；图3中金属膜沉积于上转换材料层上。
图4为本发明上转换器的结构示意图。
图5为实施例1中的上转换发射谱对比图。
图6为实施例2中的上转换发射谱对比图。
具体实施方式
   以下以具体实施例来说明本发明的技术方案，但本发明的保护范围不限于此：
实施例1
首先，利用真空蒸发技术在玻璃衬底上沉积一金属Ag薄膜，厚度约为20nm；其次，将核/壳结构的PbS/NaYF4：18%Yb3+,2%Er3+发光材料涂敷于Ag膜表面,形成一层0.25mm的薄膜；然后在氮气气氛中加热到250℃进行退火。利用金属Ag薄膜表面张力聚集作用，金属薄膜形成直径约50-100nm的球形金属纳米颗粒阵列，部分更小尺寸的金属颗粒通过扩散作用，附着在上转换材料的表面。由于纳米金属颗粒的局域表面等离子激元效应，使得上转换材料能更多地吸收透射进来的红外光，从而发出较强的可见光，增加电池对光的吸收。
实施例2
    首先，在玻璃衬底表面涂覆一层核/壳结构的PbS/NaYF4：18%Yb3+,2%Er3+发光材料，厚度为0.25mm；随后，利用真空蒸发技术在上转换材料上沉积一金属Ag薄膜，厚度为20nm；然后在氮气气氛中加热到250℃进行退火获得用于太阳电池的等离子激元增强上转换器。

Claims (9)

1.用于太阳电池的等离子激元增强上转换器，其特征在于，所述上转换器由纳米金属颗粒与上转换材料颗粒均匀分散于衬底上形成；其中所述的上转换材料是由稀土离子掺杂的上转换发光材料和量子点材料构成的核/壳结构，核/壳结构以量子点材料为核，稀土离子掺杂的上转换发光材料为壳，壳层厚度为100-500nm，所述的量子点材料为窄带隙的半导体化合物。
2.如权利要求1所述的用于太阳电池的等离子激元增强上转换器，其特征在于，所述上转换器通过下法获得：先在衬底上制备金属薄膜，然后将上转换材料涂敷于金属薄膜上或者先在衬底上涂敷上转换材料，然后在上转换材料表面沉积金属薄膜；然后在真空或惰性气氛中于200-300℃退火即得纳米金属颗粒与上转换材料颗粒均匀混合的等离子激元增强上转换器。
3.如权利要求1或2所述的用于太阳电池的等离子激元增强上转换器，其特征在于，通过真空蒸发法或溅射法制备或沉积金属薄膜。
4.权利要求1所述的用于太阳电池的等离子激元增强上转换器的制备方法，其特征在于，先在衬底上制备金属薄膜，然后将上转换材料涂敷于金属薄膜上；或者先在衬底上涂敷上转换材料，然后在上转换材料表面沉积金属薄膜；之后在真空或惰性气氛中于200-300℃退火即可；所述的上转换材料是由稀土离子掺杂的上转换发光材料和量子点材料构成的核/壳结构，以量子点材料为核，稀土离子掺杂的上转换发光材料为壳，壳层厚度为100-500nm，所述的量子点材料为窄带隙的半导体化合物。
5.如权利要求4所述的用于太阳电池的等离子激元增强上转换器的制备方法，其特征在于，所述的稀土离子掺杂的上转换发光材料为稀土离子掺杂的氧化物、氟化物、氯化物或者硫化物。
6.如权利要求4所述的用于太阳电池的等离子激元增强上转换器的制备方法，其特征在于，所述的量子点材料为PbS、PbSe、GaSb或HgSe，颗粒直径大小为5-30nm。
7.如权利要求4-6任一所述的用于太阳电池的等离子激元增强上转换器的制备方法，其特征在于，涂敷的上转换材料的厚度为0.1-1.0mm。
8.如权利要求7所述的用于太阳电池的等离子激元增强上转换器的制备方法，其特征在于，所述的金属薄膜为Ag或Au的薄膜，金属薄膜厚度为10～30nm。
9.如权利要求7所述的用于太阳电池的等离子激元增强上转换器的制备方法，其特征在于，衬底为玻璃或陶瓷。
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