CN102849943B - 一种硅基薄膜太阳能电池用上转换铝硅酸盐玻璃 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种硅基薄膜太阳能电池用上转换铝硅酸盐玻璃，原料质量百分比为：SiO₂ 60～65%，Al₂O₃ 10～15%，Na₂O 8～13%，MgO 1～5%，K₂O 1～3%，CaO 1～3%，NaCl 1～3%，Er₂O₃ 0.5～1.5%，Yb₂O₃ 0.5～1.5%；本发明具有较高的可见光透过率（＞90%），通过在铝硅酸盐玻璃组成中掺入包含Yb₂O₃和Er₂O₃稀土氧化物来实现上转换材料的功能；可以将太阳光谱中原本对硅基薄膜太阳能电池无用的近红外光线转化为可见光，从而被电池所吸收并转化为电能，扩大硅基薄膜太阳能电池对太阳光谱的响应范围，实现硅基薄膜太阳能电池对近红外光线的有效利用，进而提高电池的光电转换效率。

Description

一种硅基薄膜太阳能电池用上转换铝硅酸盐玻璃

技术领域

本发明涉有特种玻璃领域，特别涉及一种硅基薄膜太阳能电池用上转换铝硅酸盐玻璃。

背景技术

硅基薄膜太阳能电池，由于受硅材料光学能隙的限制，不能将全部的太阳光转化为电流，对太阳光的利用率约为55%左右。对于波长小于540nm的光谱，其光电转换效率较高，主要为近紫外光与蓝、绿光之间；而对于波长大于540nm的光谱，其光电转换效率则较低。太阳光谱中含有大量波长大于700nm的近红外光，其在硅基薄膜太阳能电池中的光电转换效率近似为零，为此人们提出用上转换材料来解决这一问题，将近红外的光线通过上转换材料转化为可见光，从而使这一部分光线在光电转换中发挥功效，提高太阳能电池的光电转换效率。

现阶段，人们已经掌握了较为成熟的上转换材料制备技术，但应用于太阳能电池器件中时，往往只是简单的将上转换材料涂抹在电池基板上，利用上转换材料将近红外光转化为可见光，这对上转换材料的用量需求较大，成本控制问题有待于解决。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以吸收800～1000纳米近红外光线、发射出500～550纳米可见光线的上转换铝硅酸盐玻璃，应用于硅基薄膜太阳能电池前电极基板，实现将太阳光谱中的近红外光线转化为可见光线，为硅基太阳能电池所吸收，并转化为电流，提高光电转换效率。

本发明的目的是通过以下技术方案予以实现的，一种硅基薄膜太阳能电池用上转换铝硅酸盐玻璃，其特征在于，原料质量百分比为：SiO₂  60～65%，Al₂O₃  10～15%，Na₂O  8～13%，MgO  1～5%，K₂O  1～3%，CaO  1～3%，NaCl  1～3%，Er₂O₃   0.5～1.5%，Yb₂O₃  0.5～1.5%；制备方法包括以下步骤：按照上转换铝硅酸盐玻璃的原料配比，进行称量并充分混合，采用高温熔融工艺，在铂金坩埚内进行熔化，熔制温度为1620～1650℃，熔融保温时间为3～8小时，熔融后，将熔融玻璃液成型压制成玻璃板，然后进行退火处理，退火温度为600～800℃，经过研磨、抛光、切割和化学钢化处理后制得可以吸收800～1000纳米近红外光线、发射出500～550纳米可见光线作为薄膜太阳能电池前电极基板的上转换铝硅酸盐玻璃。

所述化学钢化处理的温度为450～500℃，时间为3～6小时。

本发明的有益效果：（1）本发明具有较高的可见光透过率（＞90%），通过在铝硅酸盐玻璃组分中掺入Yb₂O₃和Er₂O₃稀土氧化物来实现上转换材料与玻璃基板融为一体并具有上转换功能；可以将太阳光谱中原本对硅基薄膜太阳能电池无用的近红外光线转化为可见光，从而被电池所吸收并转化为电能，扩大硅基薄膜太阳能电池对太阳光谱的响应范围，实现硅基薄膜太阳能电池对近红外光线的有效利用，进而提高电池的光电转换效率。

（2）本发明为高铝含量的硅酸盐玻璃，具有良好的抗刮擦、抗冲击和抗损伤性能，同时富有更好的弹性；应用于薄膜太阳能电池前电极基板，能够经受户外长期恶劣环境的考验，为电池持续稳定的发电提供有力保障；

附图说明

图1为本发明上转换铝硅酸盐玻璃在980nm红外激光器激发下的发光光谱图。

具体实施方式

本发明的一种硅基薄膜太阳能电池用上转换铝硅酸盐玻璃，原料质量百分比为：SiO₂  60～65%，Al₂O₃  10～15%，Na₂O  8～13%，MgO  1～5%，K₂O  1～3%，CaO  1～3%，NaCl  1～3%，Er₂O₃   0.5～1.5%，Yb₂O₃  0.5～1.5%。其中实现本发明目的的创新点是在现有高铝硅酸盐玻璃成分中掺入Yb₂O₃和Er₂O₃，加入量的不同，性能会有所差异，下面通过实施例作进一步详细说明。

实施例1：

（1）上转换铝硅酸盐玻璃的熔制

铝硅酸盐玻璃原料质量比为：SiO₂：63%，Al₂O₃ ：14%，MgO：3.5%，Na₂O：12%，K₂O：1.5%，CaO：1.5%，Er₂O₃： 1%，Yb₂O₃：1.5%，NaCl：2%；原料总量为 1000克，配合料混合均匀后，放置于铂金坩埚内在高温硅钼炉中熔化，熔制温度为1640℃，并保温5小时；

（2）玻璃的后退火处理

将上述熔制好的玻璃液倾倒于平板铸铁模具上成型，压制成板状玻璃制品，形状为50×50mm²，然后放入马弗炉内进行退火处理，退火温度设为700℃，以降温速率1.5℃/min降至室温，最后将退火完成的玻璃样品再进行研磨、抛光、切割，最后成形的试样尺寸为20×20×3mm³；然后进行化学钢化处理，化学钢化温度为450℃，时间为3.5小时。由此完成的特种上转换铝硅酸盐玻璃，其具备高强度、高硬度、抗冲击、抗损伤等特征，其维氏硬度为604MPa，抗压强度为805MPa，抗折强度83MPa；且其可见光透过率为90.3%，可以满足硅基薄膜电池前基板的质量要求。

如图1所示，本发明的上转换铝硅酸盐玻璃在980nm红外激光器激发下上转换发光主要为绿光和黄光，其中最强的发射在550～560nm之间，这即是Yb³⁺和Er³⁺离子发挥上转换的功能，将近红外长波段的光转换为可见的绿光和黄光。

（3）将上述制备完成的特种上转换铝硅酸盐玻璃应用于硅基薄膜太阳能电池中，电池结构为：上转换铝硅酸盐玻璃基板/AZO透明导电膜/P型非晶硅/I型非晶硅/N型非晶硅/铝背电极。同时制备一个无上转换材料的铝硅酸盐玻璃基板，制备相同结构的硅基薄膜电池，比较两者的光电性能。采用上转换铝硅酸盐玻璃基板的硅基薄膜太阳能电池的短路电流密度为12.56mA/cm²，无上转换铝硅酸盐玻璃基板的硅基薄膜太阳能电池的短路电流密度为12.31 mA/cm²，由此可见，采用上转换铝硅酸盐玻璃基板后，电池的短波段量子效率有所提升，从而短路电流和光电转换效率均得到提高。

实施例2：

铝硅酸盐玻璃原料质量比为：SiO₂：63%；Al₂O₃ ：14%；MgO：3.5%；Na₂O：12%；K₂O：1.5%；CaO：2.5%；Er₂O₃: 0.5%; Yb₂O₃:1%；NaCl：2%；原料总量为1000克，生产工艺同实施例1，制备出的铝硅酸盐玻璃在980nm红外激光器激发下的上转换发光光谱最强的发射段在555～565nm之间，主要发光也为绿光和黄光；将此玻璃用于硅基薄膜电池时，太阳能电池的短路电流密度为12.49mA/cm²。

实施例3：

铝硅酸盐玻璃原料质量比为：SiO₂：63%；Al₂O₃ ：14%；MgO：3.5%；Na₂O：12%；K₂O：1.5%；CaO：1.5%；Er₂O₃: 1.5%; Yb₂O₃: 0.5%；NaCl：2%；原料总量为1000克，生产工艺同实施例1，制备出的铝硅酸盐玻璃在980nm红外激光器激发下的上转换发光光谱最强的发射段在545～556nm之间，主要发光也为绿光和黄光；将此玻璃用于硅基薄膜电池时，太阳能电池的短路电流密度为12.46mA/cm²。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (2)

1.一种硅基薄膜太阳能电池用上转换铝硅酸盐玻璃，其特征在于，原料质量百分比为：SiO₂  60～65%，Al₂O₃  10～15%，Na₂O  8～13%，MgO  1～5%，K₂O  1～3%，CaO  1～3%，NaCl  1～3%，Er₂O₃   0.5～1.5%，Yb₂O₃  0.5～1.5%；制备方法包括以下步骤：按照上转换铝硅酸盐玻璃的原料配比，进行称量并充分混合，采用高温熔融工艺，在铂金坩埚内进行熔化，熔制温度为1620～1650℃，熔融保温时间为3～8小时，熔融后，将熔融玻璃液成型压制成玻璃板，然后进行退火处理，退火温度为600～800℃，经过研磨、抛光、切割和化学钢化处理后制得可以吸收800～1000纳米近红外光线、发射出500～550纳米可见光线作为薄膜太阳能电池前电极基板的上转换铝硅酸盐玻璃。

2.根据权利要求1所述的硅基薄膜太阳能电池用上转换铝硅酸盐玻璃，其特征在于，制备方法中化学钢化处理的温度为450～500℃，时间为3～6小时。