CN103887374B - 一种量子剪裁提高硅薄膜太阳能电池效率的新方法 - Google Patents

一种量子剪裁提高硅薄膜太阳能电池效率的新方法 Download PDF

Info

Publication number
CN103887374B
CN103887374B CN201410105182.9A CN201410105182A CN103887374B CN 103887374 B CN103887374 B CN 103887374B CN 201410105182 A CN201410105182 A CN 201410105182A CN 103887374 B CN103887374 B CN 103887374B
Authority
CN
China
Prior art keywords
film
quantum
light
cutting
transition material
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201410105182.9A
Other languages
English (en)
Other versions
CN103887374A (zh
Inventor
王生钊
黄大勇
南春娟
党玉东
童珊珊
张峰铭
陈兰莉
郭新峰
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nanyang Institute of Technology
Original Assignee
Nanyang Institute of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nanyang Institute of Technology filed Critical Nanyang Institute of Technology
Priority to CN201410105182.9A priority Critical patent/CN103887374B/zh
Publication of CN103887374A publication Critical patent/CN103887374A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN103887374B publication Critical patent/CN103887374B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
    • H01L31/054—Optical elements directly associated or integrated with the PV cell, e.g. light-reflecting means or light-concentrating means
    • H01L31/055—Optical elements directly associated or integrated with the PV cell, e.g. light-reflecting means or light-concentrating means where light is absorbed and re-emitted at a different wavelength by the optical element directly associated or integrated with the PV cell, e.g. by using luminescent material, fluorescent concentrators or up-conversion arrangements
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/52—PV systems with concentrators
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Silicon Compounds (AREA)
  • Photovoltaic Devices (AREA)

Abstract

本发明公开了一种量子剪裁提高硅薄膜太阳能电池效率的新方法，采用含有上、下转换材料的功能纳米SiO2薄膜增加Si薄膜太阳能电池对光的吸收，首先制备含有上下转换材料的SiO2溶胶，然后采用旋涂或提拉法制备SiO2颗粒可控的薄膜，该薄膜能够保护Si膜以及Ag或Al金属膜不受影响，而且该膜层含有的上、下转换材料将红外光聚集成为可见光，将紫外光降低为可见光和红外光，该部分红外光又通过量子剪裁上转换形成可见光，大大提高了Si薄膜太阳能对光的利用效率，还能够将太阳光中不能被太阳能电池吸收的长波长红外光和短波长紫外光进行量子剪裁转换为可利用的可见光，既提高了太阳能电池的转换效率，同时也避免了因电池温度升高而导致太阳能电池转换效率下降和电池性能衰退。

Description

一种量子剪裁提高硅薄膜太阳能电池效率的新方法
技术领域
本发明属于太阳能电池技术领域，涉及一种量子剪裁提高硅薄膜太阳能电池效率的新方法。
背景技术
随着社会经济的发展，在人们的日常生活和工作中对能源的需求越来越大。传统的石化能源随着使用而逐渐减少，同时全球还有很多地区得不到正常的能源供应，并且常规能源的使用很容易破坏地球上的生态环境。所有这些促使科研人员对新能源的研究越来越重视。目前可供人们开发和利用的可再生能源有太阳能、风能、潮汐能、氢能、地热能等。太阳能拥有取之不尽、用之不竭、无污染以及廉价的特性，因而成为人们重视的焦点。由于太阳能具备上面的一些优点，使得太阳能具有巨大的研究和利用价值。
在太阳能量开发进程中，光伏技术因其具有清洁安全且无噪声，可靠性高，应用范围广，结构简单，容易维护，逐步是成为最具活力的研究领域。但是，由于包括硅薄膜太阳能电池的光伏技术太阳能利用过程中存在多种形式的能量损失，导致了太阳能电池的转换效率一直不是很高：一、光学反射和透射损失。不是所有照射到光伏电池表面处的光子都能被太阳能电池吸收，其中有一部分在电池表面被再次反射到空气中，还有一部分穿透过光伏电池。二、低能量光子的能量浪费。低于光伏电池用材料的禁带宽度能量的光子不足以激发价带电子跃迁至导带，这使得波长大于半导体本征吸收限的长波光子对光电转换没有贡献，进而造成大量的光能损失。三、高能量光子的能量损失。由于晶体结构的原因，使得高能光子并不能激发与其能量相应比例的电子—空穴对数目。它们在激发产生一对电子—空穴对之后，多余的能量大多以声子散射的形式转化成为了热能，造成能量损失。如何减少高能量光子的能量损失是本论文的主要研究内容。四、光生电子—空穴对的复合导致的能量损失。光子激发形成的电子一空穴对在未受到或者受到pn结内建电场推动下贡献于光电流之前，存在一定几率发生电子—空穴的复合，进而导致了光能利用率的降低。
2005年，Richards，B.S.计算了对于单结太阳能电池的两大主要能量损失：在AMl.5条件下，能量低于电池材料禁带宽度的光子损失大约为164瓦每平方米；而晶格热震动产生的能量损失为149瓦每平方米。2006年，T.Trupke等人再次分析了在真实的空间环境下上转换材料的光辐射复合的效率，给出了上转换系统的光谱特性。在AMl.5G条件下，对于双面硅太阳能电池，将上转换材料放置在电池的背面，测得电池的转换效率为40.2％，性能优于串联太阳能电池叫。2007年，Badescu，V.详细讨论了T.Trupke等人的上、下转换理论。文章中考虑了三种影响电池效率的因素：电池和光子转换材料的非辐射复合特性、折射率和太阳光的入射强度。得到了如下的主要结论：转换材料后置的电池系统的转换效率能够高于转换材料前置的太阳能电池系统。现有技术方案直接添加上下转换材料，不利于吸收形成质量较好的膜层。
发明内容
为了克服现有技术中存在的缺陷，本发明提供一种量子剪裁提高硅薄膜太阳能电池效率的新方法，采用含有上、下转换材料的功能纳米SiO2薄膜增加Si薄膜太阳能电池对光的吸收，首先制备含有上下转换材料的SiO2溶胶，然后采用旋涂或提拉法制备SiO2颗粒可控的薄膜，该膜层不仅含有上、下转换材料还能够保护Si膜以及Ag或Al金属膜不受影响。其技术方案如下：
一种量子剪裁提高硅薄膜太阳能电池效率的新方法，包括以下步骤：
（1）将稀土氧化物配置出2mol/L的Y(NO3)3、Yb(NO3)3、Er(NO3)3稀土盐溶液；
（2）将1.5gCTAB，8mL正庚烷和1000μL正己醇滴入锥形瓶，室温电磁搅拌20分钟左右，随后加入500μL含Ln3+的溶液，溶液体积比控制为Y3+:Yb3+:Er3+=78：20：2；
（3）加入550μL的NaF和6μL的HF，搅拌30分钟左右，将PH值调节为1.5-3的酸性溶液；
（4）静置20分钟后将溶液移入50mL的不锈钢反应釜中，将其放入烘箱中，温度控制在150℃左右，持续加热5-8小时，然后在烘箱中自然冷却；
（5）静止12小时左右后，将反应后的溶液转入烧杯加10mL丙酮并震荡；
（6）将合成的α-NaYF4:Yb，Er纳米粒子分离，再溶解到反相胶束当中，滴入二氧化硅前驱体TEOS，调节PH值至弱酸性，电磁搅拌，陈化后得到α-NaYF4:Yb,ErSiO2异质包覆核壳纳米结构；
（7）下转换材料制备完成后将材料加入到含有上转换材料的SiO2溶胶中；
（8）采用旋涂法或提拉法制备含有上、下转换材料的SiO2薄膜。
进一步优选，步骤（8）所述的含有上、下转换材料的SiO2薄膜的结构自上而下依次为减反层、透明电极、太阳能主体结构、含有量子裁剪上、下转换材料的SiO2薄膜、背电极、玻璃基底。
本发明的有益效果：本发明采用化学法制备SiO2包覆的上、下转换材料的纳米薄膜，该发明首先能够利用上、下转换材料对太阳光的转换作用：将红外光聚集成为可见光，将紫外光降低为可见光和红外光，该部分红外光又通过量子剪裁上转换形成可见光，大大提高了Si薄膜太阳能对光的利用效率，将太阳光中不能被太阳能电池吸收的长波长红外光和短波长紫外光进行量子剪裁转换为可利用的可见光，既提高了太阳能电池的转换效率，同时也避免了因电池温度升高而导致太阳能电池转换效率下降和电池性能衰退。
其次发明还可以利用SiO2薄膜包覆颗粒对可见光的散射作用，增加入射可见光在Si薄膜内通过的路径长度，从而使更多的入射可见光被Si膜吸收。最后该方法具有成本低，设备和原料易得，制备过程简单，常温下进行，反应过程环保无污染，对环境友好等优点。经过一系列的测试分析发现：该层含有上、下转换材料的功能纳米SiO2薄膜增加了Si薄膜对入射光的吸收，具有非常好的实用前景。
附图说明
图1为本发明SiO2包裹上转换材料示意图；
图2为本发明SiO2包裹上转换材料的微观图；
图3为本发明SiO2包裹下转换材料的微观图；
图4是有上下转换材料的SiO2薄膜的结构示意图。
图5为本发明具有上转换材料NaYF4:Yb,ErSiO2薄膜和无上转换材料时SiO2薄膜的光谱图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细地说明。
在硅薄膜太阳电池中，由于硅薄膜的膜层厚度较小，对入射可见光的吸收很弱，严重地限制了电池的光电转换效率。通过增加硅薄膜对400～760nm波段内的入射光的有效吸收是一个非常吸引人的有效途径。
对于这个问题，本发明的解决思路是：采用化学法制备含有上转换材料NaYF4:Yb,Er+和含有下转换材料NaYF4:Tb3+，Yb3+的二氧化硅溶胶，然后采用旋涂或提拉法制备成含有纳米NaYF4:Yb，Er+和NaYF4:Tb3+，Yb3+颗粒的SiO2薄膜，该新工艺不仅增加入射光在Si薄膜内的反射次数，增加其有效光程，使更多的入射可见光被Si薄膜吸收，更能够使太阳光光更多地转化为有用光使硅薄膜吸收。
本发明首先在衬底上制备Ag或Al薄膜，然后将上、下转换材料旋涂或提拉法涂Ag或Al薄膜，然后在氮气等惰性气体的保护下中快速退火，能节省时间，退火温度100-280℃，上、下转换微器件是由稀土离→子掺杂的上、下转换发光材料的纳颗粒构成，颗粒大小为200-500纳米左右，上、下转换发光材料的纳米颗粒则被SiO2包覆。最后可采用VHF-PECVD、PECVD、HWCVD、HPD-RF-PECVD等方法制备相应的硅薄膜太阳能电池。
一种量子剪裁提高硅薄膜太阳能电池效率的新方法，包括以下步骤：
（1）将稀土氧化物配置出2mol/L的Y(NO3)3、Yb(NO3)3、Er(NO3)3稀土盐溶液；
（2）将1.5gCTAB，8mL正庚烷和1000μL正己醇滴入锥形瓶，室温电磁搅拌20分钟左右，随后加入500μL含Ln3+的溶液，溶液体积比控制为Y3+:Yb3+:Er3+=78：20：2；
（3）加入550μL的NaF和6μL的HF，搅拌30分钟左右，将PH值调节为1.5-3的酸性溶液；
（4）静置20分钟后将溶液移入50mL的不锈钢反应釜中，将其放入烘箱中，温度控制在150℃左右，持续加热5-8小时，然后在烘箱中自然冷却；
（5）静止12小时左右后，将反应后的溶液转入烧杯加10mL丙酮并震荡；
（6）将合成的α-NaYF4:Yb，Er纳米粒子分离，再溶解到反相胶束当中，滴入二氧化硅前驱体TEOS，调节PH值至弱酸性，电磁搅拌，陈化后得到α-NaYF4:Yb,ErSiO2异质包覆核壳纳米结构；
（7）下转换材料制备完成后将材料加入到含有上转换材料的SiO2溶胶中，其结构如图1所示，上、下转换材料在内核，SiO2包裹在外层，微观图如图2和图3所示，溶胶颗粒约为50-100nm；
（8）采用旋涂法或提拉法制备含有上、下转换材料的SiO2薄膜。如图4所示，步骤（8）所述的含有上、下转换材料的SiO2薄膜的结构在图中第4部分所示，具体结构自上而下依次为减反层1、透明电极2、太阳能主体结构3、含有量子裁剪上、下转换材料的SiO2薄膜4、背电极5、玻璃基底6。通过实验，本发明的参数已经优化，能够取得较好的转换效果。如图5所示，虚线部分为太阳光谱，实线部分为通过含有量子裁剪上、下转换材料SiO2薄膜后的光谱，有效地实现了光的转换，有利于太阳能电池对光谱的吸收。

Claims (3)

1.一种量子剪裁提高硅薄膜太阳能电池效率的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将稀土氧化物配置出2mol/L的Y(NO3)3、Yb(NO3)3、Er(NO3)3稀土盐溶液；
(2)将1.5g十六烷基三甲基溴化铵，8mL正庚烷和1000μL正己醇滴入锥形瓶，室温电磁搅拌20分钟左右，随后加入500μL含Ln3+的溶液，溶液体积比控制为Y3+:Yb3+:Er3+＝78：20：2；
(3)加入550μL的NaF和6μL的HF，搅拌30分钟左右，将PH值调节为1.5-3的酸性溶液；
(4)静置20分钟后将溶液移入50mL的不锈钢反应釜中，将其放入烘箱中，温度控制在150℃左右，持续加热5-8小时，然后在烘箱中自然冷却；
(5)静止12小时左右后，将反应后的溶液转入烧杯，加10mL丙酮并震荡；
(6)将合成的α-NaYF4:Yb，Er纳米粒子分离，再溶解到反相胶束当中，滴入二氧化硅前驱体正硅酸乙酯，调节PH值至弱酸性，电磁搅拌，陈化后得到二氧化硅包覆α-NaYF4:Yb,Er的异质核壳纳米结构；
(7)下转换材料制备完成后，将其加入到含有上转换材料的SiO2溶胶中；
(8)采用旋涂法或提拉法制备含有上、下转换材料的SiO2薄膜。
2.根据权利要求1所述的量子剪裁提高硅薄膜太阳能电池效率的方法，其特征在于，步骤(8)所述的含有上、下转换材料的SiO2薄膜的结构，具体结构如下：1为减反层，2为透明电极，3为太阳能主体结构，4为含有量子裁剪上、下转换材料的SiO2薄膜，5为背电极，6为玻璃基底。
3.根据权利要求1所述的量子剪裁提高硅薄膜太阳能电池效率的方法，其特征在于将红外光聚集成为可见光，将紫外光降低为可见光和红外光，该部分红外光又通过量子剪裁上转换形成可见光，大大提高了Si薄膜太阳能对光的利用效率，还能够将太阳光中不能被太阳能电池吸收的长波长红外光和短波长紫外光进行量子剪裁转换为可利用的可见光，既提高了太阳能电池的转换效率，同时也避免了因电池温度升高而导致太阳能电池转换效率下降和电池性能衰退。
CN201410105182.9A 2014-03-20 2014-03-20 一种量子剪裁提高硅薄膜太阳能电池效率的新方法 Active CN103887374B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201410105182.9A CN103887374B (zh) 2014-03-20 2014-03-20 一种量子剪裁提高硅薄膜太阳能电池效率的新方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201410105182.9A CN103887374B (zh) 2014-03-20 2014-03-20 一种量子剪裁提高硅薄膜太阳能电池效率的新方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN103887374A CN103887374A (zh) 2014-06-25
CN103887374B true CN103887374B (zh) 2016-03-02

Family

ID=50956189

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201410105182.9A Active CN103887374B (zh) 2014-03-20 2014-03-20 一种量子剪裁提高硅薄膜太阳能电池效率的新方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN103887374B (zh)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101320756A (zh) * 2007-12-28 2008-12-10 徐耀平 增加太阳能光伏电池光电转化率的透明薄膜的制备
CN101775279A (zh) * 2010-01-28 2010-07-14 海洋王照明科技股份有限公司 核壳结构荧光粉及其制备方法

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010093150A (ja) * 2008-10-10 2010-04-22 Sumitomo Bakelite Co Ltd 波長変換組成物及び波長変換組成物からなる層を備えた光起電装置

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101320756A (zh) * 2007-12-28 2008-12-10 徐耀平 增加太阳能光伏电池光电转化率的透明薄膜的制备
CN101775279A (zh) * 2010-01-28 2010-07-14 海洋王照明科技股份有限公司 核壳结构荧光粉及其制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN103887374A (zh) 2014-06-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Lian et al. Rare earth ions doped phosphors for improving efficiencies of solar cells
De la Mora et al. Materials for downconversion in solar cells: Perspectives and challenges
van Sark et al. Upconversion in solar cells
Huang et al. Enhancing solar cell efficiency: the search for luminescent materials as spectral converters
de Wild et al. Upconverter solar cells: materials and applications
Van Sark et al. Solar spectrum conversion for photovoltaics using nanoparticles
CN201773856U (zh) 太阳能电池的下转换发光结构
Znajdek et al. Zinc oxide nanoparticles for improvement of thin film photovoltaic structures’ efficiency through down shifting conversion
WO2007133344A2 (en) Wavelength-converting phosphors for enhancing the efficiency of a photovoltaic device
Chen et al. Recent advances in solar energy full spectrum conversion and utilization
CN110246922B (zh) 一种基于光谱上转换技术的量子点荧光太阳集光器、平板型聚光光伏器及其制备方法
CN102184995B (zh) 用于太阳能电池的长程等离子体激元波导阵列增效单元
CN110246904B (zh) 一种基于光谱下转换技术的量子点荧光太阳集光器、平板型聚光光伏器及其制备方法
CN102446998A (zh) 光伏器件
CN101609859A (zh) 一种晶体硅太阳能电池双层减反射膜的制作方法
Zhang et al. Semiconductor photovoltaic cells
Mirzaei et al. Design and optimization of graphene quantum dot-based luminescent solar concentrator using Monte-Carlo simulation
CN102544177A (zh) 用于太阳电池的等离子体激元增强上转换器及其制备方法
ELBASHAR et al. Glass Technology and Its Application in Solar Cells.
CN202167502U (zh) 一种宽光谱吸收的薄膜太阳能电池
CN103887374B (zh) 一种量子剪裁提高硅薄膜太阳能电池效率的新方法
Van Sark et al. Nanoparticles for solar spectrum conversion
CN213184346U (zh) 一种透明太阳能电池
CN111641383B (zh) 一种非晶硅平板型荧光太阳集光器的制备方法及其应用
CN103094394B (zh) 一种下转换晶体硅太阳能电池及其制备方法

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
CB03 Change of inventor or designer information

Inventor after: Wang Shengzhao

Inventor after: Huang Dayong

Inventor after: Nan Chunjuan

Inventor after: Dang Yudong

Inventor after: Tong Shanshan

Inventor after: Zhang Fengming

Inventor after: Chen Lanli

Inventor after: Guo Xinfeng

Inventor before: Wang Shengzhao

Inventor before: Huang Dayong

Inventor before: Li Zhuanghui

Inventor before: Nan Chunjuan

Inventor before: Dang Yudong

Inventor before: Chen Lanli

Inventor before: Guo Xinfeng

COR Change of bibliographic data
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant