CN103094393B - 基于三碘化铯锡的荧光聚光太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于三碘化铯锡的荧光聚光太阳能电池，荧光聚光太阳能电池包括太阳能电池片、三碘化铯锡层和分光薄膜，所述的三碘化铯锡层设置在太阳能电池片上，所述的分光薄膜设置在三碘化铯锡层上，三碘化铯锡层由三碘化铯锡或三碘化铯锡的衍生化合物组成，并公开了其制备方法。本发明可通过改变各种光波导合成和匹配参数等条件来优化光吸收和反射的各种光电参数，使普通太阳能电池光电转化效率得到进一步提升，更高效，更稳定，使用寿命更长。

Description

基于三碘化铯锡的荧光聚光太阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及太阳能能源领域，尤其是指一种基于三碘化铯锡的荧光聚光太阳能电池及其制备方法。
背景技术
三碘化铯锡CsSnI3化合物的研究始于1974年，斯凯夫（Scaife）等人首次对粉状CsSnI3进行了结构分析，之后莫尔斯贝格（Mauersberger）和休伯（Huber）等研究组独立合成和标定了黄色针状的CsSnI3微晶。但直到1991年，CsSnI3多晶体才被发现：该多晶体因呈现黑色光泽，故被称为黑CsSnI3。黑CsSnI3是通过将黄色CsSnI3微晶加热到425K以上相变得到。通过对不同温区的结构和晶相X光分析，黑CsSnI3晶体的三种不同晶体结构被确定：在450K时呈现理想的立方钙钛矿结构（α相），当冷却到426K时，其晶体向四角结构（β相）转化，而在351K时变为斜方结构（γ相）。直到最近，博列洛等人根据前人得到的的晶体结构数据利用第一性原理计算了三种晶体的电子结构，确认这三种晶体相都具有直接带隙，并且Eg(α)<Eg(β)<Eg(γ)。
钙钛矿结构的三碘化铯锡CsSnI3及其衍生化合物均具有与太阳光谱非常匹配的直接带隙（1.3eV至1.4eV），其合成原材料在自然界大量存在、无毒且便于加工。由于强激子相互作用，该材料的光吸收系数很大，在室温下几乎可以吸收全部的太阳光子。三碘化铯锡CsSnI3及其衍生化合物中的元素融化温度相近，易形成类似单晶体的材料结构，并且CsSnI3薄膜可用简单的物理和化学法来制备。值得注意的是，CsSnI3的荧光发光峰在950纳米附近，与其宽吸收带（小于930纳米）分开，所以CsSnI3可作为一种具有较大潜力的聚光太阳能电池材料，可将CsSnI3置于光波导结构中来设计制成一种新型的荧光聚光器来提高吸收峰在950纳米左右的太阳能电池的光电转换效率。此类荧光聚光结构将具有广阔的市场前景、强大的经济效益，而且太阳能发电产生的环保效应和社会效益则是巨大的。
而目前太阳能电池领域所使用的太阳能电池，即便采用了荧光聚光器，仍存在种种局限性，比如生产成本高、运行效率低以及耐用性差，而且很多电池的原料为有毒而稀缺的物质。
公开日为2011年1月19日、公开号为CN101951189A的专利文件提出了一种大面积荧光聚光太阳能电池系统及其制造方法，该发电系统包括至少一个含有或不含有反射层的荧光聚光器，以及在荧光聚光器的特定区域上具有散射点形成的导光板和安装在导光板上的太阳能电池及其组合。该发明在受光面积较大的荧光聚光器的特定区域上制作了发光面积较小的导光板，但是该发明使用的依然为传统材料和制作方法，故在生产成本和光电转化效率上仍具有一定的缺陷，单频率波长光电转化效率高而宽带吸收光电转化效率低。
发明内容
为了解决大多数太阳能电池单频率波长光电转化效率高而宽带吸收光电转化效率低的问题，本发明提出了一种基于三碘化铯锡的荧光聚光太阳能电池，可通过改变各种光波导合成和匹配参数等条件来优化光吸收和反射的各种光电参数，使普通太阳能电池光电转化效率得到进一步提升，更高效，更稳定，使用寿命更长。
本发明所采用的技术方案是：一种荧光聚光太阳能电池，包括太阳能电池片、三碘化铯锡层和分光薄膜，所述的三碘化铯锡层设置在太阳能电池片上，所述的分光薄膜设置在三碘化铯锡层上，三碘化铯锡层由三碘化铯锡或三碘化铯锡的衍生化合物组成。
本发明在太阳能电池片和分光薄膜之间镀制三碘化铯锡层，构成一种新型的荧光聚光器，三碘化铯锡层受太阳光辐照，吸收宽频谱的太阳光后发出950纳米左右的荧光，分光薄膜将荧光全部汇聚到太阳能电池片的表面，使三碘化铯锡层发出的荧光只能被太阳能电池片吸收，不会因散射而损失，使950纳米左右的荧光达到最大的利用效率。其中，三碘化铯锡层由三碘化铯锡组成或三碘化铯锡的衍生化合物组成。这里三碘化铯锡的衍生化合物主要是指卤素掺杂的三碘化铯锡，例如氟掺杂的三碘化铯锡（CsSnI3-XFX），其中0＜X＜3。三碘化铯锡及其衍生化合物在自然界大量存在、无毒且便于加工，是具有极大潜力的聚光太阳能电池材料。
作为优选，所述三碘化铯锡层的厚度为100纳米至2微米。三碘化铯锡层受到太阳光辐照后发出950纳米的荧光，而100纳米至2微米为三碘化铯锡层充分吸收太阳光并发出荧光的最佳厚度。
作为优选，所述的分光薄膜由二氧化硅、氮化硅、氟化镁或氧化镁组成。二氧化硅（SiO2）薄膜、氮化硅（Si3N4）薄膜、氟化镁（MgF2）薄膜、氧化镁（MgO）薄膜均具有良好的硬度、光学、介电性质及耐磨、抗蚀等特性，起到有效的分光效果。分光薄膜要求对波长950纳米的三碘化铯锡所发荧光全反射，使三碘化铯锡发出的荧光只能被太阳能电池片吸收，不会因散射而损失，使波长950纳米的荧光达到最大的利用效率。
作为进一步的优选，所述分光薄膜的厚度为10纳米至1微米。分光薄膜要求对波长300至900纳米的光透过，对波长950纳米的光全反射，10纳米至1微米为分光薄膜的最佳厚度。
一种基于三碘化铯锡的荧光聚光太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：
（a）制备太阳能电池片；
（b）在太阳能电池片上镀制三碘化铯锡层；
（c）在三碘化铯锡层上镀制分光薄膜。
作为优选，所述的步骤（b）中，所述的三碘化铯锡层的镀制方法为电沉积、化学水热法、化学水浴法、真空热蒸发、真空溅射、滴涂、旋涂或超声喷印，使三碘化铯锡层在太阳能电池片上方凝结成形。
作为优选，所述的步骤（c）中，所述的分光薄膜的镀制方法为真空热蒸发或真空溅射，使分光薄膜在三碘化铯锡层上方凝结成形。
本发明的有益效果是：可通过改变各种光波导合成和匹配参数等条件来优化光吸收和反射的各种光电参数，使普通太阳能电池光电转化效率得到进一步提升。
附图说明
图1是本发明的一种结构示意图。
图中，1-太阳能电池片，2-三碘化铯锡层，3-分光薄膜。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，一种荧光聚光太阳能电池，为三层的片状结构，从下到上依次为太阳能电池片1、三碘化铯锡层2和分光薄膜3，三碘化铯锡层2镀制在太阳能电池片1上，分光薄膜3镀制在三碘化铯锡层2上。
实施例1
太阳能电池片1为单晶硅太阳能电池片，三碘化铯锡层2的成分为三碘化铯锡（CsSnI3），三碘化铯锡层2的厚度为200纳米，分光薄膜3的成分为二氧化硅，分光薄膜3的厚度为10纳米。
制备方法为：制备太阳能电池片1；通过旋涂法在太阳能电池片1上镀制厚度为200纳米的三碘化铯锡层2，使三碘化铯锡层2在太阳能电池片1上方逐渐凝结成形；通过真空溅射法在三碘化铯锡层2上镀制厚度为10纳米的分光薄膜3，使分光薄膜3在三碘化铯锡层2上方逐渐凝结成形。
实施例2
太阳能电池片1为多晶硅太阳能电池片，三碘化铯锡层2的成分为氟掺杂的三碘化铯锡（CsSnI2F），三碘化铯锡层2的厚度为300纳米，分光薄膜3的成分为氮化硅，分光薄膜3的厚度为10纳米。
制备方法为：制备太阳能电池片1；通过滴涂法在太阳能电池片1上镀制厚度为300纳米的三碘化铯锡层2，使三碘化铯锡层2在太阳能电池片1上方逐渐凝结成形；通过真空溅射法在三碘化铯锡层2上镀制厚度为10纳米的分光薄膜3，使分光薄膜3在三碘化铯锡层2上方逐渐凝结成形。
实施例3
太阳能电池片1为铜铟镓硒太阳能电池片，三碘化铯锡层2的成分为氟掺杂的三碘化铯锡（CsSnIF2），三碘化铯锡层2的厚度为500纳米，分光薄膜3的成分为氟化镁，分光薄膜3的厚度为10纳米。
制备方法为：制备太阳能电池片1；通过化学水热法在太阳能电池片1上镀制厚度为500纳米的三碘化铯锡层2，使三碘化铯锡层2在太阳能电池片1上方逐渐凝结成形；通过真空溅射法在三碘化铯锡层2上镀制厚度为10纳米的分光薄膜3，使分光薄膜3在三碘化铯锡层2上方逐渐凝结成形。
实施例4
太阳能电池片1为铜铟锡太阳能电池片，三碘化铯锡层2的成分为三碘化铯锡（CsSnI3），三碘化铯锡层2的厚度为2微米，分光薄膜3的成分为二氧化硅，分光薄膜3的厚度为1微米。
制备方法为：制备太阳能电池片1；通过化学水浴法在太阳能电池片1上镀制厚度为2微米的三碘化铯锡层2，使三碘化铯锡层2在太阳能电池片1上方逐渐凝结成形；通过真空溅射法在三碘化铯锡层2上镀制厚度为1微米的分光薄膜3，使分光薄膜3在三碘化铯锡层2上方逐渐凝结成形。
实施例5
太阳能电池片1为单晶硅太阳能电池片，三碘化铯锡层2的成分为三碘化铯锡（CsSnI3），三碘化铯锡层2的厚度为200纳米，分光薄膜3的成分为二氧化硅，分光薄膜3的厚度为10纳米。
制备方法为：制备太阳能电池片1；通过电沉积法在太阳能电池片1上镀制厚度为200纳米的三碘化铯锡层2，使三碘化铯锡层2在太阳能电池片1上方逐渐凝结成形；通过真空溅射法在三碘化铯锡层2上镀制厚度为10纳米的分光薄膜3，使分光薄膜3在三碘化铯锡层2上方逐渐凝结成形。
实施例6
太阳能电池片1为多晶硅太阳能电池片，三碘化铯锡层2的成分为氟掺杂的三碘化铯锡（CsSnI2F），三碘化铯锡层2的厚度为300纳米，分光薄膜3的成分为氮化硅，分光薄膜3的厚度为10纳米。
制备方法为：制备太阳能电池片1；通过超声喷印法在太阳能电池片1上镀制厚度为300纳米的三碘化铯锡层2，使三碘化铯锡层2在太阳能电池片1上方逐渐凝结成形；通过真空溅射法在三碘化铯锡层2上镀制厚度为10纳米的分光薄膜3，使分光薄膜3在三碘化铯锡层2上方逐渐凝结成形。
实施例7
太阳能电池片1为铜铟镓硒太阳能电池片，三碘化铯锡层2的成分为氟掺杂的三碘化铯锡（CsSnIF2），三碘化铯锡层2的厚度为500纳米，分光薄膜3的成分为氟化镁，分光薄膜3的厚度为10纳米。
制备方法为：制备太阳能电池片1；通过真空溅射法在太阳能电池片1上镀制厚度为500纳米的三碘化铯锡层2，使三碘化铯锡层2在太阳能电池片1上方逐渐凝结成形；通过真空溅射法在三碘化铯锡层2上镀制厚度为10纳米的分光薄膜3，使分光薄膜3在三碘化铯锡层2上方逐渐凝结成形。
实施例8
太阳能电池片1为铜铟锡太阳能电池片，三碘化铯锡层2的成分为三碘化铯锡（CsSnI3），三碘化铯锡层2的厚度为1微米，分光薄膜3的成分为二氧化硅，分光薄膜3的厚度为50纳米。
制备方法为：制备太阳能电池片1；通过真空热蒸发法在太阳能电池片1上镀制厚度为1微米的三碘化铯锡层2，使三碘化铯锡层2在太阳能电池片1上方逐渐凝结成形；通过真空溅射法在三碘化铯锡层2上镀制厚度为50纳米的分光薄膜3，使分光薄膜3在三碘化铯锡层2上方逐渐凝结成形。
本发明使用中，三碘化铯锡层2受太阳光辐照，吸收宽频谱的太阳光后会发出波长950纳米左右的荧光；分光薄膜3对波长300至900纳米的光透过，对波长950纳米的光全反射，从而将荧光全部汇聚到太阳能电池片1的表面，使三碘化铯锡层2发出的荧光只能被太阳能电池片1吸收，不会因散射而损失，使波长950纳米左右的荧光达到最大的利用效率。
以上实施例，只是本发明优选的具体实施例，本领域技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都包含在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于三碘化铯锡的荧光聚光太阳能电池，其特征在于：为三层平板式和非对称的层间结构，包括太阳能电池片、三碘化铯锡层和分光薄膜，所述的三碘化铯锡层设置在太阳能电池片上，所述的分光薄膜设置在三碘化铯锡层上，三碘化铯锡层由三碘化铯锡的衍生化合物组成,所述的三碘化铯锡的衍生化合物为卤素掺杂的三碘化铯锡CsSnI3-XFX，其中0＜X＜3，所述的分光薄膜对波长300至900纳米的光透过，对波长950纳米的光全反射；所述的基于三碘化铯锡的荧光聚光太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：
(a)制备太阳能电池片；
(b)在太阳能电池片上镀制三碘化铯锡层；
(c)在三碘化铯锡层上镀制分光薄膜；
所述的步骤(b)中，所述的三碘化铯锡层的镀制方法为电沉积、化学水热法、化学水浴法、真空热蒸发、真空溅射、滴涂、旋涂或超声喷印，使三碘化铯锡层在太阳能电池片上直接沉积成形。
2.根据权利要求1所述的基于三碘化铯锡的荧光聚光太阳能电池，其特征在于：所述三碘化铯锡层的厚度为100纳米至2微米。
3.根据权利要求1所述的基于三碘化铯锡的荧光聚光太阳能电池，其特征在于：所述的分光薄膜由二氧化硅、氮化硅、氟化镁或氧化镁组成。
4.根据权利要求1所述的基于三碘化铯锡的荧光聚光太阳能电池，其特征在于：所述分光薄膜的厚度为10纳米至1微米。
5.根据权利要求1所述的基于三碘化铯锡的荧光聚光太阳能电池，其特征在于所述的步骤(c)中，所述的分光薄膜的镀制方法为真空热蒸发或真空溅射，使分光薄膜在三碘化铯锡层上方直接镀制成形。
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