CN103897694A

CN103897694A - 一种掺铒二氯化钡的上转换发光材料及其制备、使用方法和应用

Info

Publication number: CN103897694A
Application number: CN201410110547.7A
Authority: CN
Inventors: 邱建荣; 陈智
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2014-03-24
Filing date: 2014-03-24
Publication date: 2014-07-02
Anticipated expiration: 2034-03-24
Also published as: CN103897694B

Abstract

本发明公开了一种掺铒二氯化钡的上转换发光材料及其制备、使用方法和应用。其制备是在惰性气氛保护下将二氯化钡、三氯化铒充分混合并在800～1100℃下保温1-3小时制得。使用时利用800-1000nm波长范围的两种以上近红外光激发该材料，其在蓝、绿、红光的发光强度是单色光激发时发光总和的2-10倍。应用时将该材料置于非晶硅薄膜太阳能电池背面，利用两种或者两种以上近红外光透过电池激发该材料发光，电池通过光伏效应产生电能，电池的短路电流密度相对单色光激发时分别增加了26%～9倍，光电转换效率相对单色光激发时总和增强了28～83%，这将对未来进一步增强非晶硅薄膜太阳能电池的光电转换效率产生深远影响。

Description

一种掺铒二氯化钡的上转换发光材料及其制备、使用方法和应用

技术领域

本发明涉及一种上转换发光材料及其制备、使用方法和应用，特别涉及一种掺铒二氯化钡的上转换发光材料及其制备、使用方法和应用。

背景技术

为解决全球能源危机，利用光伏效应将太阳能直接转换成电能的太阳能电池开辟了当今合理利用太阳能的广阔道路。但是，目前广泛使用的硅基太阳能电池最大理论光电转换效率仅30%，并且其实际转换效率只有15％。通常情况下，到达地面的太阳能光谱（AM 1.5）能量约100 mW/cm²，覆盖波长200-2500 nm。对于硅基太阳能电池，其能级带隙E_g～1.12 eV，只有波长λ<1100 nm的太阳光才能被吸收，波长λ>1100 nm的近红外光损失严重，并且载流子热能化也将降低电池的效率。对于非晶硅太阳能电池，能级带隙E_g～1.80 eV，光电响应截止波长λ<800 nm，相比硅基太阳能电池，非晶硅太阳能电池对太阳光的响应都集中在可见光范围，近红外光透过损失更为严重。因此，如何更充分更合理地利用太阳光以提高太阳能电池的光电转换效率是当今世界关注的焦点问题之一。数十年来，人们主要集中在材料与器件的结构、性能优化方面力求提高太阳能电池光电转换效率。太阳能电池专家曾指出，未来进一步提高太阳能电池的光电转换效率将主要依靠对输入的太阳光进行光谱调制。太阳光谱调制包括两条技术路线：吸收一个高能光子发射两个低能光子的下转换发光；

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吸收两个或多个低能红外光子发射一个高能可见光子的上转换发光。近年来，随着上转换材料的迅速发展，利用上转换材料将红外光转换成可见光用于提高太阳能电池光电转换效率得到广泛研究。目前全世界普遍认为，将上转换材料应用到非晶硅太阳能电池背面使低能级带隙的红外光转换成可见光，进而被电池吸收，可使非晶硅太阳能电池的光电转换效率从9%稳定增加到12%。

但是，大量的实验模拟研究工作都基于单色红外激光激发。根据太阳光谱具有宽频谱特性，可以猜想基于宽带激发上转换材料将产生意想不到的结果。高效上转换材料通常采用稀土离子掺杂来实现能量转换，但稀土离子的基态吸收在红外范围往往局限于有限的波长，稀土离子激发态吸收，以及声子耦合吸收等过程难以发挥作用。另一方面，多色光相对单色光激发高效上转换材料，激发能量和稀土离子能级差失配明显减小，并且大大提高了能量传递上转换过程的发生几率和电子跃迁途径，使上转换发光效率明显提高，从而进一步提高了非晶硅太阳能电池的光电转换效率。因此，选用稀土离子掺杂的高效上转换材料，采用多色红外光同时激发获得上转换发光，可使稀土离子基态吸收、激发态吸收以及声子耦合吸收等过程同时实现，并极大地提高能量传递几率和电子跃迁途径，这种新方法对未来进一步提高太阳能电池光电转换效率极具潜力和前景。

发明内容

本发明的目的是提供一种掺铒二氯化钡的上转换发光材料及其制备、使用方法和应用，以增强上转换发光材料的发光强度，提高非晶硅薄膜太阳能电池光电转换效率。

一种掺铒二氯化钡的上转换发光材料，原料包括二氯化钡、三氯化铒以及氯化铵，其中二氯化钡和三氯化铒的摩尔比为65:35～80:20，氯化铵为二氯化钡和三氯化铒总摩尔数的20-30倍。

一种掺铒二氯化钡的上转换发光材料的制备方法，包括如下步骤：

（1）将二氯化钡和三氯化铒按摩尔比65:35～80:20在惰性氛围中混合，得到二氯化钡和三氯化铒混合物，备用；

（2）取氯化铵，并将该氯化铵等分为三份，在惰性氛围下，将第一份氯化铵放置于坩埚底部，然后将第二份氯化铵与步骤（1）得到的二氯化钡和三氯化铒混合物充分混合后铺盖于第一份上面，后将最后一份氯化铵铺盖于第二份氯化铵与二氯化钡和三氯化铒的混合物之上，继续在惰性氛围下，于800～1100℃的温度下保温1-3小时，得到掺铒二氯化钡的上转换发光材料；所述氯化铵为二氯化钡和三氯化铒总摩尔数的20-30倍。

上述方法中，步骤（1）和步骤（2）中所述惰性氛围为氮气氛围或氩气氛围。

一种掺铒二氯化钡的上转换发光材料的使用方法，利用800-1000nm波长范围的两种或者两种以上近红外光激发掺铒二氯化钡上转换发光材料；所述的两种或者两种以上近红外光激发是由两种或者两种以上单色激光器的近红外光同时激发，或者是连续近红外光源激发，或者是连续近红外太阳光模拟光源进行激发。

一种掺铒二氯化钡的上转换发光材料在太阳能电池中的应用，将掺铒二氯化钡上转换材料置于非晶硅薄膜太阳能电池背面，利用800-1000 nm波长范围的两种或者两种以上近红外光透过电池协同激发上转换材料发光，通过光伏效应产生电能。

上述的两种或者两种以上近红外光激发是由两种或者两种以上单色激光器的近红外光同时激发，或者是连续近红外光源激发，或者是连续近红外太阳光模拟光源进行激发。

本发明的有益效果在于：

本发明的掺铒二氯化钡的上转换发光材料利用800-1000nm波长范围的两种或者两种以上近红外光激发，相对于800-1000nm波长范围的单色光(例如，808nm、980nm等)激发，其在蓝光（440-500 nm）、绿光（520-570 nm）和红光（630-690 nm）区域的发光强度是单色光激发时发光总和的2-10倍，在非晶硅薄膜太阳能电池应用中，通过光伏效应产生的短路电流密度相对单色光激发时分别增加了26%～9倍，光电转换效率相对单色光激发时光电转换效率总和增强了28%～83%，上述使用方法可同时利用稀土离子基态吸收、激发态吸收、以及声子耦合吸收，实现对近红外区域能量的宽带吸收，显著降低上转换发光对光源功率密度的要求，为太阳能直接激发产生上转换发光提供重要保障。同时，两种或者两种以上近红外光激发时，激发能量和稀土离子能级差失配明显减小，显著提高能量传递几率并增加电子跃迁途径，从而将所吸收的能量高效输出。实际应用这种上转换材料，使非晶硅薄膜太阳能电池光电转换效率提高，将对未来进一步提高非晶硅薄膜太阳能电池光电转换效率产生深远影响。

附图说明

图1是两束光同时激发光路图；

图2是应用上转换材料的非晶硅薄膜太阳能电池结构图；

图3是实施例1上转换发光光谱图；

图4是实施例1非晶硅薄膜太阳能电池的伏安特性曲线图；

图5是实施例2上转换发光光谱图；

图6是实施例2非晶硅薄膜太阳能电池的伏安特性曲线图；

图7是实施例3上转换发光光谱图；

图8是实施例3非晶硅薄膜太阳能电池的伏安特性曲线图。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明作进一步说明，但是本发明要求保护的范围并不局限于实施例表示的范围。

实施例1：

按二氯化钡和三氯化铒的摩尔比为72：28，氯化铵是二氯化钡和三氯化铒总摩尔数的24倍进行原料称量。将该氯化铵等分为三份，其中将第一份放置于坩埚底部，然后将第二份与二氯化钡和三氯化铒在充满氮气的手套箱中用玛瑙研钵研磨混合混匀后置于第一份上面，后将最后一份氯化铵铺盖于第二份氯化铵与二氯化钡和三氯化铒的混合物之上。将装有上述混合料的坩埚移入刚玉方舟中，然后将刚玉方舟放入高温管式气氛炉内，通入氩气气氛保护，在950 ℃保温1小时，即可制得上转换发光材料。用808 nm（单色激光器1）和980 nm（单色激光器1）激光同时照射在样品上（参照图1），检测样品的可见发光。蓝光区域（440-500 nm）发光强度相比单色光808 nm和980 nm分别激发时的强度总和增强了4倍，绿光区域（520-570 nm）发光强度相比单色光808 nm和980 nm分别激发时的强度总和增强了3倍，红光区域（630-690 nm）发光强度相比单色光808 nm和980 nm分别激发时的强度总和增强了10倍，如图3所示。将样品应用在非晶硅薄膜太阳能电池背面（参照图2），用808 nm（单色激光器1）和980 nm（单色激光器1）激光同时从电池玻璃面照射到上转换材料表面并调节成同一光斑大小，电池的短路电流密度相对单色光808 nm和980 nm激发时短路电流密度分别增强了80%和9倍，光电转换效率相对单色光808 nm和980 nm激发时光电转换效率总和增强了83%，如图4所示。

实施例2：

按二氯化钡和三氯化铒的摩尔比为80：20，氯化铵是二氯化钡和三氯化铒总摩尔数的20倍进行原料称量。将该氯化铵等分为三份，其中将第一份放置于坩埚底部，然后将第二份与二氯化钡和三氯化铒在充满氮气的手套箱中用玛瑙研钵研磨混合混匀后置于第一份上面，后将最后一份氯化铵铺盖于第二份氯化铵与二氯化钡和三氯化铒的混合物之上。将装有上述混合料的坩埚移入刚玉方舟中，然后将刚玉方舟放入高温管式气氛炉内，通入氩气气氛保护，在800 ℃保温3小时，即可制得上转换发光材料。用800 nm（单色激光器1）和1000 nm（单色激光器2）激光同时照射在样品上（参照图1），检测样品的可见发光。蓝光区域（440-500 nm）发光强度相比单色光800 nm和1000 nm分别激发时的强度总和增强了2倍，绿光区域（520-570 nm）发光强度相比单色光800 nm和1000 nm分别激发时的强度总和增强了2倍，红光区域（630-690 nm）发光强度相比单色光800 nm和1000 nm分别激发时强度总和增强了6倍，如图5所示。将样品应用在非晶硅薄膜太阳能电池背面（参照图2），用800 nm（单色激光器1）和1000 nm（单色激光器2）激光同时从电池玻璃面照射到上转换材料表面并调节成同一光斑大小，电池的短路电流密度相对单色光800 nm和1000 nm激发时短路电流密度分别增加了26%和3倍，光电转换效率相对单色光800 nm和1000 nm激发时光电转换效率总和增强了28%，如图6所示。

实施例3：

按二氯化钡和三氯化铒的摩尔比为65：35，氯化铵是二氯化钡和三氯化铒总摩尔数的30倍进行原料称量。将该氯化铵等分为三份，其中将第一份放置于坩埚底部，然后将第二份与二氯化钡和三氯化铒在充满氮气的手套箱中用玛瑙研钵研磨混合混匀后置于第一份上面，后将最后一份氯化铵铺盖于第二份氯化铵与二氯化钡和三氯化铒的混合物之上。将装有上述混合料的坩埚移入刚玉方舟中，然后将刚玉方舟放入高温管式气氛炉内，通入氩气气氛保护，在1100 ℃保温2小时，即可制得上转换发光材料。用808 nm（单色激光器1）和1000 nm（单色激光器2）激光同时照射在样品上（参照图1），检测样品的可见发光。蓝光区域（440-500 nm）发光强度相比单色光808 nm和1000 nm分别激发时的强度总和增强了3倍，绿光光区域（520-570 nm）发光强度相比单色光808 nm和1000 nm分别激发时的强度总和增强了2倍，红光区域（630-690 nm）发光强度相比单色光808 nm和1000 nm分别激发时强度总和增强了7倍，如图7所示。将样品应用在非晶硅薄膜太阳能电池背面（参照图2），用808 nm（单色激光器1）和1000 nm（单色激光器2）激光同时从电池玻璃面照射到上转换材料表面并调节成同一光斑大小，电池的短路电流密度相对单色光808 nm和1000 nm激发时短路电流密度分别增加了48%和5倍，光电转换效率相对单色光808 nm和1000 nm激发时光电转换效率总和增强了50%，如图8所示。

Claims

1.一种掺铒二氯化钡的上转换发光材料，其特征在于，所述上转换发光材料的原料包括二氯化钡、三氯化铒以及氯化铵，其中二氯化钡和三氯化铒的摩尔比为65:35～80:20，氯化铵为二氯化钡和三氯化铒总摩尔数的20-30倍。

2.制备权利要求1所述的掺铒二氯化钡的上转换发光材料的方法，其特征在于，包括如下步骤：

3.根据权利要求2所述的掺铒二氯化钡的上转换发光材料的制备方法，其特征在于，步骤（1）和步骤（2）中所述惰性氛围为氮气氛围或氩气氛围。

4.权利要求1所述的掺铒二氯化钡的上转换发光材料的使用方法，其特征在于，利用800-1000nm波长范围的两种或者两种以上近红外光激发掺铒二氯化钡上转换发光材料；所述的两种或者两种以上近红外光激发是由两种或者两种以上单色激光器的近红外光同时激发，或者是连续近红外光源激发，或者是连续近红外太阳光模拟光源进行激发。

5.权利要求1所述的掺铒二氯化钡的上转换发光材料在太阳能电池中的应用，其特征在于，将掺铒二氯化钡上转换材料置于非晶硅薄膜太阳能电池背面，利用800-1000 nm波长范围的两种或者两种以上近红外光透过电池协同激发上转换材料发光，通过光伏效应产生电能。

6.根据权利要求5所述的掺铒二氯化钡的上转换发光材料在太阳能电池中的应用，其特征在于，所述的两种或者两种以上近红外光激发是由两种或者两种以上单色激光器的近红外光同时激发，或者是连续近红外光源激发，或者是连续近红外太阳光模拟光源进行激发。