CN103325884B - 一种宽光谱下转换减反多层薄膜提高太阳能电池转换效率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽光谱下转换减反多层薄膜提高太阳能电池效率的方法。选取不同折射率的下转换基质材料，基质材料的折射率n为1<n<3.8；并在基质中掺入稀土离子-Yb³⁺离子对或过渡金属离子-Yb³⁺离子对制备成多层薄膜，并且掺入的稀土离子-Yb³⁺离子对或过渡金属离子-Yb³⁺离子对后的薄膜对紫外-可见光的吸收范围不重合，实现宽光谱转光;且上述多层薄膜的折射率和厚度使反射出薄膜表面的任意两相邻薄膜之间的两相干光的光程差满足干涉极小条件，即两相干光的波峰和波谷相遇，实现最小的多层薄膜表面反射率。本发明能在较宽范围内将一个紫外-可见光转换为两个近红外光子。所构建的多层薄膜同时具有宽光谱下转换和减反效果。<!--1-->

Description

一种宽光谱下转换减反多层薄膜提高太阳能电池转换效率的方法

技术领域

本发明涉及太阳能电池技术领域，特别涉及一种宽光谱下转换减反多层薄膜提高太阳能电池转换效率的方法。

背景技术

太阳能电池光伏发电是一种清洁、安全的可再生能源，由于受到原理、结构以及材料等诸多方面的限制，传统结构太阳能电池效率的提升面临着重大挑战。太阳能电池及其组件，减反系统对于其光电转换效率起着十分重要的作用。最简单的减反射系统是单层介质减反膜，其折射率一般介于空气折射率和太阳能电池折射率之间。减反射膜的工作原理是基于薄膜干涉原理。入射光在介质膜两表面反射后得两束相干光，选择折射率适当的介质膜材料，可使两束相干光的振幅接近相等，再控制薄膜厚度，使两相干光的光程差满足干涉极小条件，此时反射光能量将完全消除或大大减弱。但是单层减反射膜只能对某个波长和它附近的较窄波段内的光波起增透作用，为在较宽的光谱范围达到更有效的增透效果，常使用多层减反膜。

对于硅等窄带隙材料由于受到带隙的制约作用，大约有30%的太阳光辐射能量因热损失而浪费，这成为制约太阳电池效率提高的瓶颈之一。即当电池吸收高能光子产生“热”载流子，“热”载流子弛豫导带底或价带顶，这部分能量以晶格热的形式损失，即为热损失。将具有量子剪裁下转换效应的发光材料与太阳电池耦合，通过对太阳光谱进行调制有可能实现减少载流子的热损失，提高太阳电池效率。红外下转换材料的研究在最近几年取得了丰富的成果，从2005年首次发现红外量子剪裁现象的Tb³⁺-Yb³⁺离子对，到Tm³⁺-Yb³⁺、Pr³⁺-Yb³⁺等离子对在大量的材料中都观察到了红外量子剪裁现象。但是由于近红外下转换材料的敏化剂Tb³⁺、Tm³⁺、Pr³⁺等掺杂离子对太阳光的吸收十分有限，难以实现宽光谱转光。

发明内容

本发明的目的是提供一种有效减反又能将较大范围紫外-可见光转到近红外的多层薄膜制备方法。

一种宽光谱下转换减反多层薄膜提高太阳能电池效率的方法其特征在于：选取不同折射率的下转换基质材料，基质材料的折射率n为1<n<3.8；并在基质中掺入稀土离子-Yb³⁺离子对或过渡金属离子-Yb³⁺离子对制备成多层薄膜，并且掺入的稀土离子-Yb³⁺离子对或过渡金属离子-Yb³⁺离子对后的薄膜对紫外-可见光的吸收范围不重合，实现宽光谱转光;且上述多层薄膜的折射率和厚度使反射出薄膜表面的任意两相邻薄膜之间的两相干光的光程差满足干涉极小条件，即两相干光的波峰和波谷相遇，实现最小的多层薄膜表面反射率。

进一步，多层薄膜层数大于或等于2。

进一步，掺入的稀土离子包括Pr³⁺，Tb³⁺，Er³⁺，Eu²⁺，Eu³⁺，Yb²⁺，Ho³⁺，Tm³⁺或Ce³⁺，过渡金属离子包括Ti²⁺，Cr³⁺，Os⁴⁺，Re⁴⁺或Bi³⁺。

进一步，掺入稀土离子或过渡金属离子的摩尔浓度为0.5%-3%，掺入Yb³⁺离子的摩尔浓度为1%-5%。

进一步，制备薄膜的方法包括溶胶-凝胶法、化学浴沉积、脉冲激光沉积、磁控溅射、电子束沉积、化学气相沉积、分子束外延或离子束沉积方法。

本发明的优点：

本发明的方法提供的一种宽光谱下转换减反多层薄膜提高太阳能电池转换效率的方法，即可以通过薄膜折射率、厚度的匹配实现多层减反效果，又可以在不同薄膜层中掺入不同的稀土离子-Yb³⁺离子对（或过渡金属离子-Yb³⁺离子对），利用掺入的稀土离子或过渡金属离子对光的吸收范围的不同，能够将单一稀土离子或过渡金属离子对光的吸收范围进行有效叠加，实现宽光谱下转换。

附图说明

图1为实施例1制备的YF₃:Pr³⁺,Yb³⁺/Y₂O₃:Bi³⁺,Yb³⁺双层薄膜及裸硅反射谱；

图2为实施例1制备的YF₃:Pr³⁺,Yb³⁺/Y₂O₃:Bi³⁺,Yb³⁺双层薄膜激发谱；

图3为实施例1制备的YF₃:Pr³⁺,Yb³⁺/Y₂O₃:Bi³⁺,Yb³⁺双层薄膜发射谱。

具体实施方式

实施例1

首先采有脉冲激光沉积的方法成功制备了Y₂O₃:Bi³⁺,Yb³⁺薄膜，薄膜中Bi³⁺，Yb³⁺掺杂浓度分别为1%mol，5%mol。激光器是波长为248nm的KrF准分子激光器。激光频率都15Hz，筛选后的脉冲能量为350mJ/脉冲。真空室的背底真空为8×10^-4Pa，靶与衬底之间的距离为65mm。沉积过程中保持氧压为1Pa。薄膜折射率（600nm）处约为1.92，厚度约为90nm。然后在Y₂O₃：Bi³⁺，Yb³⁺薄膜上继续采用电子束沉积的方法制备了YF₃：Pr³⁺,Yb³⁺薄膜。薄膜中Pr³⁺，Yb³⁺的掺杂浓度分别为0.5%mol和5%mol。薄膜沉积过程中真空度小于1×10^-3Pa，靶与衬底之间的距离为400cm。衬底温度600℃，所制备的YF₃：Pr³⁺,Yb³⁺薄膜折射率（600nm）处约为1.5，厚度为115nm。所制备的多层反射率如图1所示。如图2和3所示，分别采用对应Bi³⁺:¹S₀→³P₁跃迁的300-400nm及Pr³⁺:³H₄→¹I₆,³P_j（j=0,1,2）跃迁的430-490nm紫外光激发下，薄膜均检测到了980nm左右来自Yb³⁺近红外发射。相比于YF₃:Pr,Yb及Y₂O₃:Bi,Yb单层薄膜，此双层薄膜可以有效扩展对紫外光的吸收范围。该双层薄膜不仅能将波长较宽范围内的紫外光子转换为两个可被硅等窄带隙太阳能电池吸收的980nm近红外光子，同时可以实现减反，因此在提高硅等窄带隙太阳能电池效率方面具有巨大的应用前景。

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、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (5)

1.一种宽光谱下转换减反多层薄膜提高太阳能电池效率的方法，其特征在于：选取不同折射率的下转换基质材料，基质材料的折射率n为1<n<3.8；并在基质中掺入稀土离子-Yb³⁺离子对或过渡金属离子-Yb³⁺离子对制备成多层薄膜，并且掺入的稀土离子-Yb³⁺离子对或过渡金属离子-Yb³⁺离子对后的薄膜对紫外-可见光的吸收范围不重合，实现宽光谱转光;且上述多层薄膜的折射率和厚度使反射出薄膜表面的任意两相邻薄膜之间的两相干光的光程差满足干涉极小条件，即两相干光的波峰和波谷相遇，实现最小的多层薄膜表面反射率。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：多层薄膜层数大于或等于2。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：掺入的稀土离子包括Pr³⁺，Tb³⁺，Er³⁺，Eu²⁺，Eu³⁺，Yb²⁺，Ho³⁺，Tm³⁺或Ce³⁺，过渡金属离子包括Ti²⁺，Cr³⁺，Os⁴⁺，Re⁴⁺或Bi³⁺。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：掺入稀土离子或过渡金属离子的摩尔浓度为0.5%-3%，掺入Yb³⁺离子的摩尔浓度为1%-5%。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：制备薄膜的方法包括溶胶-凝胶法、化学浴沉积、脉冲激光沉积、磁控溅射、电子束沉积、化学气相沉积、分子束外延或离子束沉积方法。