CN103117320A - 基于三碘化铯锡的光波导荧光聚光结构及其制备方法 - Google Patents

基于三碘化铯锡的光波导荧光聚光结构及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于三碘化铯锡的光波导荧光聚光结构，包括基片、镜面反射层、内层分光薄膜、三碘化铯锡层和外层分光薄膜，所述的镜面反射层设置在基片上，所述的内层分光薄膜设置在镜面反射层上，所述的三碘化铯锡层设置在内层分光薄膜上，所述的外层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。本发明吸收宽频太阳光后放出单一波长的荧光，传输至异地太阳能电池转化可得到低成本和较高光电转化效率的新型太阳能电池，可简化太阳能电池本地装置，更高效，更稳定，使用寿命更长。

Description

基于三碘化铯锡的光波导荧光聚光结构及其制备方法
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光波导荧光聚光结构及其制备方法。
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425 K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置于光波导结构中此类荧光聚光结构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。
而目前太阳能电池领域所使用的太阳能电池本地装置安装复杂，异地传输转化效率低，成本需求也大。
公告日为2011年1月5日、公告号为CN101498813B的专利文件公开了一种晶圆级光波导及其制造方法，利用半导体集成电路制造工艺，能够制造出接触面光滑、厚度均匀且端面为任意角度镜面的微米级光波导。该光波导一定程度上降低了成本，采用的仍为传统材料，太阳能电池本地装置安装复杂，光电传输转化效率仍然不高。
发明内容
为了解决太阳能电池本地装置安装复杂而异地传输转化效率低的问题，本发明提出了一种基于三碘化铯锡的光波导荧光聚光结构，吸收宽频太阳光后放出单一波长的荧光，传输至异地太阳能电池转化可得到低成本和较高光电转化效率的新型太阳能电池，可简化太阳能电池本地装置，更高效，更稳定，使用寿命更长。
本发明所采用的技术方案是：一种基于三碘化铯锡的光波导荧光聚光结构，包括基片、镜面反射层、内层分光薄膜、三碘化铯锡层和外层分光薄膜，所述的镜面反射层设置在基片上，所述的内层分光薄膜设置在镜面反射层上，所述的三碘化铯锡层设置在内层分光薄膜上，所述的外层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。
本发明采用三碘化铯锡或其衍生物作为光波导结构的材料，三碘化铯锡层受到太阳光辐照后发出950纳米的荧光，从而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，可以轻易地将太阳光能量转化为单一波长并传输至异地以建造低成本和较高光电转化效率的新型太阳能电池结构，更高效，更稳定，使用寿命更长。其中，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，所述的基片为玻璃、金属箔片、柔性有机聚合物、硅片或陶瓷片。本发明的基片选择范围宽，无特殊限制。
作为优选，所述的镜面反射层为金属，镜面反射层的厚度为5纳米至1微米。
镜面反射层可采用各种金属材料，如银、铝、锡和铂等。镜面反射层反射透过光波导结构的太阳光，提高太阳光的利用率。
作为优选，所述三碘化铯锡层的厚度为100纳米至2微米。
作为优选，所述的内层分光薄膜和外层分光薄膜由二氧化硅、氮化硅、氟化镁或氧化镁组成。
作为进一步的优选，所述内层分光薄膜和外层分光薄膜的厚度为10纳米至1微米。
分光薄膜要求对300至900纳米波长的光透过，对950纳米波长的光全反射，使三碘化铯锡的荧光被限制在两层分光薄膜之间，形成光波导结构。
一种基于三碘化铯锡的光波导荧光聚光结构的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
（a） 制备基片；
（b） 在基片上镀制镜面反射层；
（c） 在镜面反射层上镀制内层分光薄膜；
（d） 在内层分光薄膜上镀制三碘化铯锡层；
（e） 在三碘化铯锡层上镀制外层分光薄膜。
作为优选，所述的步骤（b）中，所述的镜面反射层的镀制方法为真空热蒸发或真空溅射。
作为优选，所述的步骤（d）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。
作为优选，所述的步骤（c）中，所述的内层分光薄膜的镀制方法为真空热蒸发或真空溅射。
作为优选，所述的步骤（e）中，所述的外层分光薄膜的镀制方法为真空热蒸发或真空溅射。
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，吸收宽频太阳光后放出单一波长的荧光，并传输至异地太阳能电池转化以得到低成本和较高光电转化效率的新型太阳能电池，更高效，更稳定，使用寿命更长。
附图说明
图1是本发明的一种结构示意图。
图中，1-基片，2-镜面反射层，3-三碘化铯锡层，4-内层分光薄膜，5-外层分光薄膜。
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，一种基于三碘化铯锡的光波导荧光聚光结构，为五层的条形结构，从下到上依次为基片1、镜面反射层2、内层分光薄膜4、三碘化铯锡层3和外层分光薄膜5，基片1上镀制有镜面反射层2，在镜面反射层2上镀制有内层分光薄膜4，在内层分光薄膜4上镀制有三碘化铯锡层3，在三碘化铯锡层3上镀制有外层分光薄膜5。
实施例1
基片1为金属箔片，镜面反射层2为银，镜面反射层2的厚度为10纳米，三碘化铯锡层3的成分为三碘化铯锡（CsSnI3），三碘化铯锡层3的厚度为100纳米，内层分光薄膜4和外层分光薄膜5的成分均为二氧化硅，内层分光薄膜4和外层分光薄膜5的厚度均为100纳米。
制备方法为：制备基片1；通过真空热蒸发法在基片1上镀制镜面反射层2；通过真空热蒸发法在镜面反射层2上镀制内层分光薄膜4，使内层分光薄膜4在镜面反射层2上方逐渐凝结成形；通过电沉积法在内层分光薄膜4上镀制三碘化铯锡层3，使三碘化铯锡层3在内层分光薄膜4上方逐渐凝结成形；通过真空热蒸发法在三碘化铯锡层3上镀制外层分光薄膜5，使外层分光薄膜5在三碘化铯锡层3上方逐渐凝结成形。
实施例2
    基片1为玻璃片，镜面反射层2为锡，镜面反射层2的厚度为5纳米，三碘化铯锡层3的成分为氟掺杂的三碘化铯锡（CsSnI2F），三碘化铯锡层3的厚度为100纳米，内层分光薄膜4和外层分光薄膜5均由氮化硅制成，内层分光薄膜4和外层分光薄膜5的厚度均为10纳米。
制备方法为：制备基片1；通过真空热蒸发法在基片1上镀制镜面反射层2；通过真空热蒸发法在镜面反射层2上镀制内层分光薄膜4，使内层分光薄膜4在镜面反射层2上方逐渐凝结成形；通过化学水热法在内层分光薄膜4上镀制三碘化铯锡层3，使三碘化铯锡层3在内层分光薄膜4上方逐渐凝结成形；通过真空热蒸发法在三碘化铯锡层3上镀制外层分光薄膜5，使外层分光薄膜5在三碘化铯锡层3上方逐渐凝结成形。
实施例3
    基片1为硅片，镜面反射层2为铝，镜面反射层2的厚度为100纳米，三碘化铯锡层3的成分为氟掺杂的三碘化铯锡（CsSnIF2），三碘化铯锡层3的厚度为500纳米，内层分光薄膜4和外层分光薄膜5均由氟化镁制成，内层分光薄膜4和外层分光薄膜5的厚度均为100纳米。
制备方法为：制备基片1；通过真空热蒸发法在基片1上镀制镜面反射层2；通过真空溅射法在镜面反射层2上镀制内层分光薄膜4，使内层分光薄膜4在镜面反射层2上方逐渐凝结成形；通过电沉积法在内层分光薄膜4上镀制三碘化铯锡层3，使三碘化铯锡层3在内层分光薄膜4上方逐渐凝结成形；通过真空溅射法在三碘化铯锡层3上镀制外层分光薄膜5，使外层分光薄膜5在三碘化铯锡层3上方逐渐凝结成形。
实施例4
基片1为陶瓷片，镜面反射层2为铂，镜面反射层2的厚度为1微米，三碘化铯锡层3的成分为三碘化铯锡（CsSnI3），三碘化铯锡层3的厚度为2微米，内层分光薄膜4和外层分光薄膜5均由氧化镁制成，内层分光薄膜4和外层分光薄膜5的厚度均为1微米。
制备方法为：制备基片1；通过真空热蒸发法在基片1上镀制镜面反射层2；通过真空热蒸发法在镜面反射层2上镀制内层分光薄膜4，使内层分光薄膜4在镜面反射层2上方逐渐凝结成形；通过化学水浴法在内层分光薄膜4上镀制三碘化铯锡层3，使三碘化铯锡层3在内层分光薄膜4上方逐渐凝结成形；通过真空热蒸发法在三碘化铯锡层3上镀制外层分光薄膜5，使外层分光薄膜5在三碘化铯锡层3上方逐渐凝结成形。
实施例5
基片1为柔性有机聚合物，镜面反射层2为铂，镜面反射层2的厚度为200纳米，三碘化铯锡层3的成分为三碘化铯锡（CsSnI3），三碘化铯锡层3的厚度为1微米，内层分光薄膜4和外层分光薄膜5均由氧化镁制成，内层分光薄膜4和外层分光薄膜5的厚度均为200纳米。
制备方法为：制备基片1；通过真空溅射法在基片1上镀制镜面反射层2；通过真空溅射法在镜面反射层2上镀制内层分光薄膜4，使内层分光薄膜4在镜面反射层2上方逐渐凝结成形；通过超声喷印法在内层分光薄膜4上镀制三碘化铯锡层3，使三碘化铯锡层3在内层分光薄膜4上方逐渐凝结成形；通过真空溅射法在三碘化铯锡层3上镀制外层分光薄膜5，使外层分光薄膜5在三碘化铯锡层3上方逐渐凝结成形。
实施例6
    基片1为硅片，镜面反射层2为铝，镜面反射层2的厚度为100纳米，三碘化铯锡层3的成分为氟掺杂的三碘化铯锡（CsSnI2F），三碘化铯锡层3的厚度为500纳米，内层分光薄膜4和外层分光薄膜5均由氮化硅制成，内层分光薄膜4和外层分光薄膜5的厚度均为200纳米。
制备方法为：制备基片1；通过真空热蒸发法在基片1上镀制镜面反射层2；通过真空溅射法在镜面反射层2上镀制内层分光薄膜4，使内层分光薄膜4在镜面反射层2上方逐渐凝结成形；通过真空热蒸发法在内层分光薄膜4上镀制三碘化铯锡层3，使三碘化铯锡层3在内层分光薄膜4上方逐渐凝结成形；通过真空溅射法在三碘化铯锡层3上镀制外层分光薄膜5，使外层分光薄膜5在三碘化铯锡层3上方逐渐凝结成形。
实施例7
    基片1为硅片，镜面反射层2为铝，镜面反射层2的厚度为300纳米，三碘化铯锡层3的成分为氟掺杂的三碘化铯锡（CsSnI2F），三碘化铯锡层3的厚度为2微米，内层分光薄膜4和外层分光薄膜5均由氟化镁制成，内层分光薄膜4和外层分光薄膜5的厚度均为200纳米。
制备方法为：制备基片1；通过真空热蒸发法在基片1上镀制镜面反射层2；通过真空溅射法在镜面反射层2上镀制内层分光薄膜4，使内层分光薄膜4在镜面反射层2上方逐渐凝结成形；通过滴涂法在内层分光薄膜4上镀制三碘化铯锡层3，使三碘化铯锡层3在内层分光薄膜4上方逐渐凝结成形；通过真空溅射法在三碘化铯锡层3上镀制外层分光薄膜5，使外层分光薄膜5在三碘化铯锡层3上方逐渐凝结成形。
实施例8
    基片1为硅片，镜面反射层2为铝，镜面反射层2的厚度为30纳米，三碘化铯锡层3的成分为氟掺杂的三碘化铯锡（CsSnIF2），三碘化铯锡层3的厚度为250纳米，内层分光薄膜4和外层分光薄膜5均由氟化镁制成，内层分光薄膜4和外层分光薄膜5的厚度均为100纳米。
制备方法为：制备基片1；通过真空热蒸发法在基片1上镀制镜面反射层2；通过真空溅射法在镜面反射层2上镀制内层分光薄膜4，使内层分光薄膜4在镜面反射层2上方逐渐凝结成形；通过旋涂法在内层分光薄膜4上镀制三碘化铯锡层3，使三碘化铯锡层3在内层分光薄膜4上方逐渐凝结成形；通过真空溅射法在三碘化铯锡层3上镀制外层分光薄膜5，使外层分光薄膜5在三碘化铯锡层3上方逐渐凝结成形。
本发明使用中，三碘化铯锡层3受到太阳光辐照后发出950纳米的荧光，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，使三碘化铯锡的荧光被限制在内层分光薄膜4和外层分光薄膜5之间，形成光波导结构。而镜面反射层2将透过光波导结构的太阳光反射回光波导结构，提高太阳光的利用率。如此，利用本发明传输，可以轻易地将太阳光能量转化为单一波长并传输至异地以建造低成本和较高光电转化效率的新型太阳能电池结构，从而也简化了太阳能电池的本地装置。
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 (10)

1.一种基于三碘化铯锡的光波导荧光聚光结构，其特征在于：包括基片、镜面反射层、内层分光薄膜、三碘化铯锡层和外层分光薄膜，所述的镜面反射层设置在基片上，所述的内层分光薄膜设置在镜面反射层上，所述的三碘化铯锡层设置在内层分光薄膜上，所述的外层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。
2.根据权利要求1所述的基于三碘化铯锡的光波导荧光聚光结构，其特征在于：所述的镜面反射层为金属，镜面反射层的厚度为5纳米至1微米。
3.根据权利要求1所述的基于三碘化铯锡的光波导荧光聚光结构，其特征在于：所述三碘化铯锡层的厚度为100纳米至2微米。
4.根据权利要求1所述的基于三碘化铯锡的光波导荧光聚光结构，其特征在于：所述的内层分光薄膜和外层分光薄膜由二氧化硅、氮化硅、氟化镁或氧化镁组成。
5.根据权利要求1或4所述的基于三碘化铯锡的光波导荧光聚光结构，其特征在于：所述内层分光薄膜和外层分光薄膜的厚度均为10纳米至1微米。
6.一种基于三碘化铯锡的光波导荧光聚光结构的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
（a）制备基片；
（b）在基片上镀制镜面反射层；
（c）在镜面反射层上镀制内层分光薄膜；
（d）在内层分光薄膜上镀制三碘化铯锡层；
（e）在三碘化铯锡层上镀制外层分光薄膜。
7.根据权利要求6所述的基于三碘化铯锡的光波导荧光聚光结构的制备方法，其特征在于：所述的步骤（b）中，所述的镜面反射层的镀制方法为真空热蒸发或真空溅射。
8.根据权利要求6所述的基于三碘化铯锡的光波导荧光聚光结构的制备方法，其特征在于：所述的步骤（d）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。
9.根据权利要求6所述的基于三碘化铯锡的光波导荧光聚光结构的制备方法，其特征在于：所述的步骤（c）中，所述的内层分光薄膜的镀制方法为真空热蒸发或真空溅射。
10.根据权利要求6所述的基于三碘化铯锡的光波导荧光聚光结构的制备方法，其特征在于：所述的步骤（e）中，所述的外层分光薄膜的镀制方法为真空热蒸发或真空溅射。
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