CN103094394B - 一种下转换晶体硅太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种下转换晶体硅太阳能电池及其制备方法，涉及一种太阳能电池。提供表面涂敷稀土掺杂的一种下转换晶体硅太阳能电池及其制备方法。所述一种下转换晶体硅太阳能电池从下至上依次设P⁺层、P层、N⁺层、SiN_x层和荧光薄膜层。1）将有机玻璃倒入有机溶剂中，静置，使有机玻璃溶解后加入荧光粉，得均匀透明的下转换荧光材料浆料；2）用胶布贴在晶体硅电池的主栅上，将步骤1）得到的下转换荧光材料浆料旋涂在晶体硅电池上，再撕去胶布，在晶体硅电池上得下转换荧光材料薄膜；3）将样品电池烘烤，再放在空气中冷却至室温，即得下转换晶体硅太阳能电池。使用设备少，工艺流程短，无污染，可以有效地提高晶体硅太阳能电池的荧光效率。

Description

一种下转换晶体硅太阳能电池及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种太阳能电池，尤其是涉及表面涂敷硼系稀土掺杂荧光粉的一种下转换晶体硅太阳能电池及其制备方法。

背景技术

21世纪，能源短缺和环境污染成为阻碍未来人类可持续发展亟待解决的问题，清洁能源太阳能光伏发电产业正逐渐进入人类能源结构，并将成为未来基础能源的重要组成部分。由于硅材料具有原料丰富、性能良好、污染低等优点，在可预见的未来硅材料和晶体硅太阳电池仍然是光伏发电的主流。

目前硅基太阳能电池其光电转换效率理论最大值仅为31%（Shockley-Queisser极限效率），现今所广泛使用的商业晶体硅太阳电池的光电转换效率约为15～18%，其原因在于晶体硅太阳能电池不能将全部的太阳光能量转换为电能。通常到达地球表面太阳光的波长范围为200～2500nm，然而晶体硅太阳能电池的硅能隙为1.12eV，其光谱响应的范围在400～1100nm，即小于400nm的紫外光和大于1100nm的红外光不能有效地被晶体硅吸收。提高硅太阳能电池对太阳光的利用率，已经成为当前广泛关注的焦点。光谱转换是减少此类能量损失的有效途径。为此可以在太阳能电池的上表面引入下转换荧光层。硼系稀土掺杂荧光粉的激发光谱在300～400nm，可以发出红、蓝、绿等可见光，是较好的下转换荧光材料。下转换荧光材料能吸收光太阳光中的紫外光并发射出可见光。如果荧光薄膜层对可见光的吸收较少，经过荧光粉转换发出的可见光和原来太阳光中的可见光基本会透过荧光薄膜层照射到晶体硅太阳电池，从而增加了可见光辐照到晶体硅太阳电池的强度，使太阳电池的光电转换效率获得提高。

中国专利CN102364691A公开一种具有上/下转换发光结构的晶体硅太阳能电池及其制备方法，该晶体硅太阳能电池在晶体硅片背表面钝化层的表面增加由上转换发光材料构成的薄膜层或/和由下转换发光材料构成的薄膜层，在该薄膜层表面制备由氮化硅、氮化铝、氧化硅或氧化铝构成的保护层，从而形成对上/下转换发光材料的包覆结构，一方面将没有被晶体硅太阳能电池有效利用的传到电池背表面的太阳光通过上转换发光过程或/和下转换发光过程调整到能够被晶体硅电池有效利用的可见光，另一方面有效避免对电池前表面的光谱响应产生负面影响，因此能够有效提高电池的光电转化效率，在高效晶体硅电池领域具有广阔的应用前景。

中国专利CN102456762A公开一种晶体硅太阳能电池和一种非晶硅太阳能电池，该晶体硅太阳能电池包括依次结合的减反射膜层、透光玻璃层、第二封接层、晶体硅电池片、第一封接层和TPT背板，减反射膜层、透光玻璃层、第一封接层和/或第二封接层中含有发光体。该非晶硅太阳能电池包括依次结合的减反射膜层、透光玻璃层、透明导电膜层、非晶硅pin膜层和金属背电极，减反射膜层、透光玻璃层和/或透明导电膜层含有发光体。该发明的太阳能电池能将太阳光进行光谱下转换、上转换和/或光谱转移，将太阳光中的紫外光、近红外光转换成可见光，使得该发明的太阳能电池对太阳光的利用率得以有效提高，转换效率得以有效提升，发电量得以有效的增加。

发明内容

本发明的目的在于提供表面涂敷稀土掺杂的一种下转换晶体硅太阳能电池及其制备方法。

所述一种下转换晶体硅太阳能电池从下至上依次设有P⁺层、P层、N⁺层、SiN_x层和荧光薄膜层，在荧光薄膜层上设有电极，所述荧光薄膜层的原料组成为荧光粉和有机玻璃，所述荧光粉与有机玻璃的质量比为1∶（10～20），所述荧光粉为单掺的Sr₂B₂O₅:x Tb³⁺、Sr₂B₂O₅:xTb³⁺，xNa⁺；或共掺的Sr₂B₂O₅:x Tb³⁺，xEu³⁺、Sr₂B₂O₅:xTb³⁺，xEu³⁺，xNa⁺，其中，0.01<x<0.1。

所述一种下转换晶体硅太阳能电池的制备方法包括以下步骤：

1）将有机玻璃倒入有机溶剂中，静置，使有机玻璃溶解后加入荧光粉，得均匀透明的下转换荧光材料浆料；

2）用胶布贴在晶体硅电池的主栅上，将步骤1）得到的下转换荧光材料浆料旋涂在晶体硅电池上，再撕去胶布，在晶体硅电池上得下转换荧光材料薄膜；

3）将样品电池烘烤，再放在空气中冷却至室温，即得下转换晶体硅太阳能电池。

在步骤1）中，所述有机溶剂可采用丙酮等；所述静置的时间可为20～40min。

在步骤2）中，所述旋涂可采用匀胶机旋涂，旋涂的转速可为6000～10000r/min，旋涂的时间可为20～30s；所述下转换荧光材料薄膜的厚度可为5～20μm，所得下转换荧光材料薄膜可作为硅太阳能电池的光谱转换层。

在步骤3）中，所述烧烤可将样品电池置于80～130°C干燥箱中烘烤5～15min。

本发明的制备方法使用设备少，工艺流程短，无污染，可以有效地提高晶体硅太阳能电池的荧光效率，能有效地提高电池的光谱响应并减少载流子热能化的损耗，进而可提高晶体硅太阳能电池对太阳光的利用率和光电转换效率。

本发明的下转换荧光材料能吸收能量较高的短波光子，发射出能量较低的长波光子，从而增加太阳电池可见光波段的光谱响应，进而可提高晶体硅太阳能电池的净光电转换效率0.5%～1.5%。本发明利用旋涂法把含有荧光粉的浆料涂覆在太阳能电池的表面上。原则上本发明可以推广到其它材料的单结下转换太阳电池上。

附图说明

图1为本发明的下转换晶体硅太阳能电池实施例的结构组成示意图。

图2为本发明的下转换晶体硅太阳能电池实施例的J-V曲线图。在图2中，横坐标为电压（V），纵坐标为电流密度(mA/cm^-2)；曲线a为原始晶体硅太阳能电池的J-V曲线，曲线b为下转换晶体硅太阳能电池的J-V曲线。

图3为本发明的下转换晶体硅太阳能电池实施例的外量子效率图。在图3中，横坐标为波长(nm)，纵坐标为量子效率（%）；曲线a为原始晶体硅太阳能电池的外量子效率，曲线b为下转换晶体硅太阳能电池的外量子效率。

具体实施方式

以下通过实施例和附图对本发明作进一步的说明。

参见图1，所述一种下转换晶体硅太阳能电池实施例从下至上依次设有P⁺层、P层、N⁺层、SiN_x层和荧光薄膜层，在荧光薄膜层上设有电极，所述荧光薄膜层的原料组成为荧光粉和有机玻璃，所述荧光粉与有机玻璃的质量比为1∶（10～20），所述荧光粉为单掺的Sr₂B₂O₅:x Tb³⁺、Sr₂B₂O₅:xTb³⁺，xNa⁺；或共掺的Sr₂B₂O₅:x Tb³⁺，xEu³⁺、Sr₂B₂O₅:xTb³⁺，xEu³⁺，xNa⁺，其中，0.01<x<0.1。

以下给出所述一种下转换晶体硅太阳能电池的制备方法的具体实施例。

实施例1：

表面涂敷硼系稀土掺杂的下转换晶体硅太阳能电池及制备方法，包括如下步骤：

（1）用电子天平秤称取有机玻璃0.05g、荧光粉Sr₂B₂O₅:5%Tb³⁺，5%Eu³⁺0.005g；量取9ml的丙酮作为溶剂。

（2）将称取的有机玻璃倒入所量取的丙酮，并静置半个小时，使有机玻璃充分的溶解；将称取的荧光粉充分研磨，并过筛得到细粉；待有机玻璃完全溶于丙酮加入研磨后的荧光粉，并用玻璃棒搅拌一定时间得到透明溶液。

（3）选择一块发光稳定的晶体硅太阳能电池（大小为2.5cm×2.5cm），用胶布贴在电池的主栅；匀胶机旋涂的转速为8500r/min，旋涂的时间为30s，最后把胶布撕开。

（4）涂膜过程完成后将样品电池置于110℃干燥箱中烘烤10min，最后放在空气中冷却到室温。

测定其电学特性，如表1所示。

表1

	Jsc（mA/cm2）	Voc（v）	FF（%）	η(%)
					涂敷前	33.837	0.607	69.2	14.2
涂敷后	34.450	0.612	72.0	15.2

实施例2：

与实施例1相比较，其不同在于：所选的荧光粉为Sr₂B₂O₅:5%Tb³⁺。

测定其电学特性，如表2所示。

表2

	Jsc（mA/cm2）	Voc（v）	FF（%）	η(%)
					涂敷前	34.214	0.600	75.0	15.4
涂敷后	34.774	0.604	76.8	16.1

实施例3：

与实施例1相比较，其不同在于：所选的荧光粉为Sr_2-3xB₂O₅:5%Tb³⁺，5%Eu³⁺，5%Na⁺。

表3

	Jsc（mA/cm2）	Voc（v）	FF（%）	η(%)
					涂敷前	32.884	0.599	67.0	13.2
涂敷后	33.699	0.609	69.6	14.3

测定其电学特性，如表3所示。

Claims (6)

1.一种下转换晶体硅太阳能电池的制备方法，其特征在于所述下转换晶体硅太阳能电池从下至上依次设有P⁺层、P层、N⁺层、SiN_x层和荧光薄膜层，在荧光薄膜层上设有电极，所述荧光薄膜层的原料组成为荧光粉和有机玻璃，所述荧光粉与有机玻璃的质量比为1∶10～20，所述荧光粉为单掺的Sr₂B₂O₅:xTb³⁺、Sr₂B₂O₅:xTb³⁺，xNa⁺；或共掺的Sr₂B₂O₅:xTb³⁺，xEu³⁺、Sr₂B₂O₅:xTb³⁺，xEu³⁺，xNa⁺，其中，0.01<x<0.1；

所述制备方法，包括以下步骤：

1)将有机玻璃倒入有机溶剂中，静置，使有机玻璃溶解后加入荧光粉，得均匀透明的下转换荧光材料浆料；

2)用胶布贴在晶体硅电池的主栅上，将步骤1)得到的下转换荧光材料浆料旋涂在晶体硅电池上，再撕去胶布，在晶体硅电池上得下转换荧光材料薄膜；

3)将样品电池烘烤，再放在空气中冷却至室温，即得下转换晶体硅太阳能电池。

2.如权利要求1所述一种下转换晶体硅太阳能电池的制备方法，其特征在于在步骤1)中，所述有机溶剂采用丙酮。

3.如权利要求1所述一种下转换晶体硅太阳能电池的制备方法，其特征在于在步骤1)中，所述静置的时间为20～40min。

4.如权利要求1所述一种下转换晶体硅太阳能电池的制备方法，其特征在于在步骤2)中，所述旋涂采用匀胶机旋涂，旋涂的转速为6000～10000r/min，旋涂的时间为20～30s。

5.如权利要求1所述一种下转换晶体硅太阳能电池的制备方法，其特征在于在步骤2)中，所述下转换荧光材料薄膜的厚度为5～20μm。

6.如权利要求1所述一种下转换晶体硅太阳能电池的制备方法，其特征在于在步骤3)中，所述将样品电池烘烤是将样品电池置于80～130℃干燥箱中烘烤5～15min。