CN102683466A - 具有荧光粉的太阳能电池与其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种具有荧光粉的太阳能电池及其制备方法，包含：光电转换层，用于将光能转换为电能；荧光粉层，设置于该光电转换层的至少一侧，用于增加光电转换效率；该荧光粉是上转换荧光粉或下转换荧光粉，该上转换荧光粉选自X2Mo2O9:X或X2Mo2O9:X，X，该下转换荧光粉选自JQX(PO4)2:X3+或JQX(PO4)2:X2+，X2+，其中X代表任一种稀土金属，J代表锂、钠或钾，而Q代表任一种碱土金属。

Description

具有荧光粉的太阳能电池与其制造方法
技术领域
本发明涉及一种太阳能电池，特别是涉及一种具有荧光粉的太阳能电池与其制造方法。
背景技术
在能源危机与环保问题的双重诉求下，开发能自产的绿色能源，已成为人类的最重要课题，而太阳能同时具有普遍性、自产性及环保性，为最佳的再生能源之一。太阳能电池直接将太阳能转换成电能，其运作不产生毒性物质、温室气体及噪音，其操作相当安全，亦仅需低廉的维护成本，况且太阳能为取之不尽、用之不竭的理想再生能源，发展太阳能电池应用的相关材料及技术，为解决现今能源及环保问题的最佳方法及策略。
目前太阳能电池的发展大致上分为两大类，第一类是以硅为基础材料，第二类就是非硅基础材料，第二类目前开发比较多的为：化合物半导体(如CdTe)、染料敏化(DSSC)或有机电池等。现阶段的太阳能电池几乎以第一类为主要发展，因为以硅为基础材料的太阳能电池的能量转换效率(conversionefficiency)较高，其又可以分为：单晶硅、多晶硅、非晶硅、硅薄膜等。目前的太阳能电池市场以单晶及多晶硅的太阳能电池为主，目前市售的单晶硅转换效率约在20％，至于多晶硅的转换效率约在17％，这些都离理想目标的转换效率甚远，因为实验室理想的转换效率分别可达30～40％，该如何提升转换效率就是一个很重要的发展目标。
在2002年由Trupke等人提出了一个第三代太阳能电池提升效率探讨(非专利文献1)，其中提到了一项利用上、下转换荧光粉来提升转换效率，如附图1所示。这是因为以硅为基础材料的太阳能电池，受限于硅元素本身的能阶大小所致，所以只能吸收太阳光中400至1000nm的光来进行光电转换，但以一般的太阳光的频谱来看，太阳光涵盖的范围从紫外光(UV)到红外光(IR)，所以硅材料的吸收光范围明显比较狭小。因此，如果可以增加紫外光及红外光这两大区块的利用，应该可以提升很可观的转换效率。
一般而言，频谱或光谱转换可搭配适当荧光材料，并以下列三种方式实行：上转换(up conversion，结构如附图1(a)所示)、下转换(down conversion，结构如附图1(b)所示及频谱集中转换(spectral concentration)。太阳光谱上转换的原理，主要是将能量小于太阳能电池材料能隙的入射光子，转变为能量大于能隙的光子，然后经由反射镜反射产生高能光子，供太阳能电池再次吸收而产生电子/空穴对(electron-hole pair)，其最高理论效率为47.6％。而太阳光谱下转换的原理是将下转换荧光材料(down converter)制作于太阳能电池表面上，利用能量大于太阳能电池材料能隙二倍以上的一个入射光子，转变为能量大于能隙的两个光子，后供太阳能电池再次吸收而产生两组电子/空穴对，其最高理论效率为30.9％。第三种选择则为频谱集中转换，其原理主要整合上/下转换两者的优点，将入射太阳光的光谱转换集中于稍大于太阳能电池材料能隙的附近，则能量小于能隙的入射光子被上转换，亦即能量小于能隙的入射光子被上转换为高能光子，而能量高于二倍能隙的入射光子被下转换为低能光子，最终可以有效提升转换效率，其最高理论效率则决定于上/下转换材料的种类与两种结构的耦合。
目前现有技术揭示可用在太阳能电池的上转换荧光粉，常见的有NaYF4:Er(非专利文献2)及NaYF4:Yb，Er(非专利文献3)，其可提升太阳能电池的量子效率(quantum efficiency)。现有技术揭示可用在太阳能电池的下转换荧光粉，如Y2O3:Eu3+或Y2O2S:Eu3+(非专利文献4)，其利用与高分子(PE及TPP)结合，涂布在实验室型小尺寸的太阳能电池上。
美国专利2007/0295383A1，揭露将一系列能吸收280至460nm波长(Sr，Ba，Eu)2SiO4Fx的纳米与微米级荧光粉，整合于硅太阳电池以有效提升其转换效率。但上述现有技术并未提供可明显有效提升转换效率的数据，且均只限应用于实验室型小尺寸的太阳能电池上，缺乏在商业上大量生产应用的可能。
理论已证实利用光转换材料(各类型荧光材料)，是提升太阳能电池转换效率的可行方法之一，其主要优点为：方法简单、成本低廉、较不影响原本太阳能电池的制作，理论上亦可适用于各种不同类型的太阳能电池。因此，可应用于太阳能电池的光转换材料的需要及实用化，相信对于太阳能电池的推广及未来发展，将会具有深远的影响。因此，全球主要的研究单位，均致力于开发替代性材料及其相关技术的研究，以降低制作成本及提升转换效率。
因此，如何发明出一种具有荧光粉的太阳能电池，可有效提高太阳能电池的光电转换效率，将是本发明的目的。
非专利文献1：T.Trupkea et al.(2002)，J.Appl.Phys.，92，3，1668-1674.
非专利文献2：A.Shalav et al.(2005)，Appl.Phys.Lett.86，013505.
非专利文献3：A.Shalav et al.(2007)，Sol.Energ.Mat.Sol.Cells，91，829-842.
非专利文献4：P.Chung et al.(2007)，J.Vac.Sci.Technol.A，25，1，61-66.
发明内容
有鉴于上述现有技术的缺憾，发明人有感其未臻于完善，遂竭其心智悉心研究克服，凭其从事该项产业多年累积的经验，进而研发出一种具有荧光粉的太阳能电池，以期达到提高太阳能电池的光电转换效率的目的。
本发明主要目的在提供一种具有荧光粉的太阳能电池，其可有效提高太阳能电池光电转换效率。
为达上述目的，本发明提供一种具有荧光粉的太阳能电池，包含：光电转换层，用于将光能转换为电能；荧光粉层，设置于该光电转换层至少一侧，用于增加光电转换效率；该荧光粉是上转换荧光粉或下转换荧光粉，该上转换荧光粉选自X2Mo2O9:X或X2Mo2O9:X，X，该下转换荧光粉选自JQX(PO4)2:X3+或JQX(PO4)2:X2+，X2+，其中X代表任一种稀土金属，J代表锂、钠或钾，而Q代表任一种碱土金属。
上述太阳能电池，其中该上转换荧光粉系La2Mo2O9:Yb，Er或La2Mo2O9:Yb，Ho。
上述太阳能电池，其中该下转换荧光粉系KCaGd(PO4)2:Eu3+或KSrGd(PO4)2:Eu3+。
上述太阳能电池，其中该荧光粉层进一步包含BaMgAl10O17:Eu2+，Mn2+或(Ba，Sr，Mg)2SiO4:Eu2+。
上述太阳能电池，其中该荧光粉层进一步包含高分子涂料，其系选自PMMA(polymethyl methacrylate)、聚酰胺或硅化合物中一者或其组合。
上述太阳能电池，其中该光电转换层系选自P型半导体或N型半导体中一者或其组合。
上述太阳能电池，其中该光电转换层系选自多晶硅、单晶硅、非晶硅或CdTe中一者或其组合。
上述太阳能电池，进一步包含一抗反射层，其系设置于该光电转换层至少一侧、该光电转换层及该荧光粉层之间或该荧光粉层的至少一侧。
上述太阳能电池，其中该抗反射层系选自氮化硅、氧化硅或氮氧化硅中一者或其组合。
上述太阳能电池，其中该荧光粉层由网版印刷、蒸镀、溅镀、涂布或贴合方式所形成。
上述太阳能电池，其中形成荧光粉层时，须避免形成于太阳能电池母线上。母线又称汇流电极(bus bar or bus line)，如第2(a)图及第2(b)图分别显示具有二线及三线母线的太阳能电池。
上述太阳能电池，其中该荧光粉层的厚度为1至100微米。
因此，本发明具有荧光粉的太阳能电池，可有效提高太阳能电池的光电转换效率。
附图说明
图1：具有上转换荧光材料和下转换荧光材料太阳能电池结构示意图。
其中，(a)：具有上转换荧光材料太阳能电池结构示意图；
(b)：具有下转换荧光材料太阳能电池结构示意图。
图2：具有二线母线和三线母线太阳能电池示意图。
其中，(a)：具有二线母线太阳能电池示意图；
(b)：具有三线母线太阳能电池示意图。
其中，主要组件符号说明：
1-硅太阳能板；2-上转换荧光材料；3-背反射板；4-下转换荧光材料。
具体实施方式
总之，本发明的主要目的在于提供一种具有光电转换层及荧光粉层的太阳能电池，其中该荧光粉层中含有上转换荧光粉或下转换荧光粉。
一般而言，上转换荧光粉通式为X2Mo2O9:X或X2Mo2O9:X，X，其中X代表任一种稀土金属，例如La、Gd等等，且上转换荧光粉中是以一种或两种的稀土金属掺杂。
下转换荧光粉的通式为JQX(PO4)2:X3+或JQX(PO4)2:X2+，X2+，其中J代表锂、钠或钾，Q代表任一种碱土金属，例如Mg、Ca、Sr、Ba，而X的定义同前；此外，下转换荧光粉中是以一种或两种的稀土金属离子掺杂。
为充分了解本发明的目的、特征及功效，提供下述具体实施例，并配合附图，对本发明做一详细说明，说明如后：
合成上转换荧光粉La2Mo2O9:Yb，Er及La2Mo2O9:Yb，Ho
混合La2O3、MoO3、Yb2O3及R2O3(R＝Er，Ho)，以化学计量组成为(1-x-y)∶2∶x∶y比例，而x＝0.09且y＝0.01，将混合物溶于5％HCl，经干燥后获得淡黄粉末前趋物。再将前趋物充分混合研磨后，于900℃加热8小时后缓慢冷却，以获得白色高纯度的La2Mo2O9:Yb，Er及La2Mo2O9:Yb，Ho。
合成下转换荧光粉KCaGd(PO4)2:Eu3+及KSrGd(PO4)2:Eu3+
以化学计量组成比例，混合(NH4)2HPO4、K2CO3、Eu2O3、Gd2O3及RCO3(R＝Ca，Sr)，且混合NH4Cl作为助熔剂，后于800℃加热6小时且于1200℃加热6小时后冷却，以获得高纯度的KCaGd(PO4)2:Eu3+及KSrGd(PO4)2:Eu3+。
制造具有上转换荧光粉的太阳能电池
以1∶10重量％混合上转换荧光粉与PMMA，之后以网版印刷涂布在6”×6”(面积大小)多晶硅太阳能板，最后于130℃固化3小时，以完成具有下转换荧光粉太阳能电池。其中实施例1是以La2Mo2O9:Yb，Ho涂布于太阳能板的入光面，实施例2至3是以La2Mo2O9:Yb，Er涂布于太阳能板的入光面，实施例4是以La2Mo2O9:Yb，Er涂布于太阳能板的背光面。分别测量涂布前与涂布后的短路电流(Isc)、开放电压(Voc)及光电转换效率(η％)，其中光电转换效率可由下式计算而得：η＝FF.Isc.Voc/Pin，其中Pin为进入太阳能电池的辐照光能量，FF为填充因子。其实验结果如表1所示。
表1：
Figure BSA00000615826000061
由表1可以发现，具有上转换荧光粉的太阳能电池，可明显增加光电转换效率为1.50％至2.71％，且当上转换荧光粉涂布于太阳能板的背光面，可获得最佳的光电转换效率，而当上转换荧光粉涂布于太阳能板的入光面，光电转换效率并无太大改变，符合现有技术所揭示理论。
制造具有下转换荧光粉的太阳能电池
以1∶10重量％混合下转换荧光粉与PMMA，后以网版印刷涂布于市售的36个6”×6”(面积大小)多晶硅太阳能板的入光面，最后于130℃固化3小时，以完成具有上转换荧光粉的太阳能电池。分别测量涂布前与涂布后的短路电流(Isc)、开放电压(Voc)及光电转换效率(η％)，并取其平均值。其实验结果如表2所示。
表2：
Figure BSA00000615826000062
由表2可以发现，具有下转换荧光粉的太阳能电池，可明显增加光电转换效率至2.90％，并可于商业上大量生产应用。
由上述实验结果可知，本发明的上、下转换荧光粉，可涂布于市售具有抗反射层的太阳能板的抗反射层上，也可涂布于无抗反射层的太阳能板均具有抗反射层的功效，均可有效增加太阳能电池的光电转换效率。
如上所述，本发明完全符合专利三要件：新颖性、进步性和产业上的可利用性。以新颖性和进步性而言，本发明是自行合成的上、下转换荧光粉，可有效达到增加太阳能电池的短路电流及光电转换效率的功效；就产业上的可利用性而言，利用本发明所衍生的产品，当可充分满足目前市场的需求。
本发明在上文中已以较佳实施例揭露，然本领域普通技术人员应理解的是，该实施例仅用于描绘本发明，而不应解读为限制本发明的范围。应注意的是，凡与该实施例等效的变化与置换，均应设为涵盖于本发明范畴内。因此，本发明保护范围当以申请权利要求所界定者为准。

Claims (13)

1.一种具有荧光粉的太阳能电池，包含：
光电转换层，用于将光能转换为电能；
荧光粉层，设置于该光电转换层的至少一侧，用于增加光电转换效率；
该荧光粉是上转换荧光粉或下转换荧光粉，该上转换荧光粉选自X2Mo2O9:X或X2Mo2O9:X，X，该下转换荧光粉选自JQX(PO4)2:X3+或JQX(PO4)2:X2+，X2+，其中X代表任一种稀土金属，J代表锂、钠或钾，而Q代表任一种碱土金属。
2.如权利要求1所述太阳能电池，其中该上转换荧光粉为La2Mo2O9:Yb，Er或La2Mo2O9:Yb，Ho。
3.如权利要求1所述太阳能电池，其中该下转换荧光粉为KCaGd(PO4)2:Eu3+或KSrGd(PO4)2:Eu3+。
4.如权利要求1所述太阳能电池，其中该荧光粉层进一步包含BaMgAl10O17:Eu2+，Mn2+或(Ba，Sr，Mg)2SiO4:Eu2+。
5.如权利要求1所述太阳能电池，其中该荧光粉层进一步包含一高分子涂料，其选自PMMA、聚酰胺及硅化合物中一者或其组合。
6.如权利要求1所述太阳能电池，其中该光电转换层选自P型半导体N型半导体中一者或其组合。
7.如权利要求1所述太阳能电池，其中该光电转换层系选自多晶硅、单晶硅、非晶硅CdTe中一者或其组合。
8.如权利要求1所述太阳能电池，进一步包含抗反射层，其系设置于该光电转换层的至少一例、该光电转换层及该荧光粉层之间或该荧光粉层的至少一侧。
9.如权利要求8所述太阳能电池，其中该抗反射层选自氮化硅、氧化硅或氮氧化硅中一者或其组合。
10.如权利要求1所述太阳能电池，其中该荧光粉层由网版印刷、蒸镀、溅镀、涂布或贴合方式所形成。
11.如权利要求10所述太阳能电池，其中形成荧光粉层时，须避免形成于太阳能电池的母线上。
12.如权利要求1所述太阳能电池，其中该荧光粉层的厚度为1至100微米。
13.一种具有荧光粉的太阳能电池的制造方法，其是制造如权利要求1-12中任一项所述的太阳能电池。
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