CN104860533A - 提高太阳能效率的Tb3+-Yb3+共掺氟氧化物玻璃 - Google Patents

Abstract

本发明涉及量子剪切材料提高Si基太阳能电池转换效率，用于解决目前商用Si基太阳电池在太阳能转换成电能的过程中热损耗及透过损耗严重，转换效率低的问题。在Si基太阳电池上涂覆基于Tb³⁺-Yb³⁺共掺氟氧化物玻璃的近红外量子剪切层，通过改变太阳光谱，将波长小于550nm的一个光子转换成两个波长1000nm附近的近红外光子，使其与Si基太阳能电池的响应匹配的更好，以此降低光谱失配带来的损耗，同时在1000nm附近波段获得双倍的光电流。

Description

提高太阳能效率的Tb3+-Yb3+共掺氟氧化物玻璃

技术领域

本发明适用于基于近红外量子剪切材料提高Si基太阳电池转换效率领域，具体为一种提高Si基太阳能电池转换效率的Tb³⁺-Yb³⁺共掺氟氧化物玻璃及制备方法。 

背景技术

目前，商用Si基太阳能电池在光伏市场上占主导地位，对于Eg为1.12eV（~1100nm）的单结Si基太阳能电池，理论上其极限效率为30%。但是，目前单结单晶Si基太阳能电池典型的能量转换效率仅为15%，这主要是因为太阳能电池在太阳能转换成电能的过程中光谱失配带来了严重的热损耗及透过损耗。近红外量子剪切材料可实现对太阳光谱的调制，将波长小于550 nm的一个光子转换成两个波长1000 nm附近的近红外光子，使太阳光谱与Si基太阳能电池的响应匹配的更好，以此降低光谱失配带来的损耗，同时在1000 nm附近波段获得双倍的光电流，有望用来提高Si基太阳能电池的效率。因此，在硅基（Si）太阳能电池上增添下转换近红外量子剪切层，实现对太阳光谱的调制，提高Si基太阳电池的转换效率，这对于新能源的开发与利用具有深远的意义。

发明内容

本发明是要解决目前硅基太阳能电池转换效率较低的问题，而提供了一种基于Tb³⁺-Yb³⁺共掺氟氧化物玻璃，用于提高Si基太阳能电池效率。

本发明是采用如下技术方案实现的：

一种提高Si基太阳能效率的Tb³⁺-Yb³⁺共掺氟氧化物玻璃，由如下摩尔份数的组分构成：

50 SiO₂—20 Al₂O₃—30 CaF₂—0.5 Tb₄O₇—(x/2) Yb₂O₃，其中x=1~10。

上述提高Si基太阳能效率的Tb³⁺-Yb³⁺共掺氟氧化物玻璃的制备方法，包括如下步骤：

（1）、取规定量的SiO₂、Al₂O₃、CaF₂、Tb₄O₇和Yb₂O₃粉末研磨混合均匀；

（2）、将研磨后的粉末混合物置于刚玉坩埚中，在高温炉中于1350~1400℃保温90~100min；

（3）、将熔融的玻璃液迅速倒在钢板上，使其自然冷却至室温；

（4）、将得到的玻璃在高温炉中以500~550℃的温度保温3h，去除内应力；

（5）、将玻璃切割抛光，形成2mm厚的Tb³⁺-Yb³⁺共掺氟氧化物玻璃。

在Si基太阳电池上涂覆基于Tb³⁺-Yb³⁺共掺氟氧化物玻璃的近红外量子剪切层，通过改变太阳光谱，将波长小于550nm的一个光子转换成两个波长1000nm附近的近红外光子，使其与Si基太阳能电池的响应匹配的更好，以此降低光谱失配带来的损耗，同时在1000nm附近波段获得双倍的光电流。本发明采用高温固相法合成Tb³⁺-Yb³⁺不同掺杂比例的氟氧化物玻璃薄层，测量Tb³⁺-Yb³⁺共掺氟氧化物玻璃薄层的吸收光谱（如图1所示）、光致发光光谱（如图2所示）、时间分辨光谱（如图3所示），计算Tb³⁺-Yb³⁺共掺氟氧化物玻璃薄层的近红外量子剪切效率。

根据图3计算Tb³⁺-Yb³⁺共掺氟氧化物玻璃的量子剪切效率，验证本发明的效果：计算可得，对于Yb³⁺浓度分别为x=1，5，10时，量子剪切层的量子效率分别为104%、120%、132%。由此可见，该量子剪切层的确可以通过光谱调制，将一个可见光子调制为两个近红外光子，增加总的量子效率，从而实现Si基太阳能电池光电流的增加，提高其转换效率。

本发明采用的前置的光谱转换层与现有的太阳电池之间是电绝缘的，它们之间的耦合方式是辐射耦合，因此兼容性很好。对于现有的太阳电池来说，增添近红外量子剪切层的方法既方便应用，又相对独立。利用该转换层能够提高太阳电池对可见光的利用效率，同时在近红外区域获得双倍光电流，以此降低Si基太阳能电池的损耗，提高能量转换效率。

本发明设计合理，利用Tb³⁺-Yb³⁺共掺氟氧化物玻璃提高Si基太阳能电池转换效率，解决目前商用Si基太阳电池在太阳能转换成电能的过程中热损耗及透过损耗严重，转换效率低的问题。

附图说明

图1表示本发明所述的Tb³⁺-Yb³⁺共掺氟氧化物玻璃薄层在Si基太阳电池的吸收光谱。

图2表示本发明测量的473nm光激发下Tb³⁺-Yb³⁺共掺氟氧化物玻璃的光致发光光谱。

图3表示本发明测量的473nm光激发下Tb³⁺-Yb³⁺共掺氟氧化物玻璃的时间分辨光谱。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施例进行详细说明。

实施例1

一种提高Si基太阳能效率的Tb³⁺-Yb³⁺共掺氟氧化物玻璃，由如下摩尔份数的组分构成：

50mol SiO₂—20mol Al₂O₃—30mol CaF₂—0.5mol Tb₄O₇—0.5mol Yb₂O₃。

上述Tb³⁺-Yb³⁺共掺氟氧化物玻璃的制备方法，包括如下步骤：

（1）、取规定量的SiO₂、Al₂O₃、CaF₂、Tb₄O₇和Yb₂O₃粉末研磨1h至混合均匀；

（2）、将研磨后的粉末混合物置于刚玉坩埚中，在高温炉中于1350℃保温95min；

（3）、将熔融的玻璃液迅速倒在钢板上，使其自然冷却至室温；

（4）、将得到的玻璃在高温炉中以520℃的温度保温3h，去除内应力；

（5）、将玻璃切割抛光，形成2mm厚的Tb³⁺-Yb³⁺共掺氟氧化物玻璃。

测量Tb³⁺-Yb³⁺共掺氟氧化物玻璃的吸收光谱、光致发光光谱、时间分辨光谱；计算Tb³⁺-Yb³⁺共掺氟氧化物玻璃的量子剪切效率。

实施例2

一种提高Si基太阳能效率的Tb³⁺-Yb³⁺共掺氟氧化物玻璃，由如下摩尔份数的组分构成：

50mol SiO₂—20mol Al₂O₃—30mol CaF₂—0.5mol Tb₄O₇—2.5mol Yb₂O₃。

上述Tb³⁺-Yb³⁺共掺氟氧化物玻璃的制备方法，包括如下步骤：

（1）、取规定量的SiO₂、Al₂O₃、CaF₂、Tb₄O₇和Yb₂O₃粉末研磨1h至混合均匀；

（2）、将研磨后的粉末混合物置于刚玉坩埚中，在高温炉中于1360保温90min；

（3）、将熔融的玻璃液迅速倒在钢板上，使其自然冷却至室温；

（4）、将得到的玻璃在高温炉中以500℃的温度保温3h，去除内应力；

（5）、将玻璃切割抛光，形成2mm厚的Tb³⁺-Yb³⁺共掺氟氧化物玻璃。

测量Tb³⁺-Yb³⁺共掺氟氧化物玻璃的吸收光谱、光致发光光谱、时间分辨光谱；计算Tb³⁺-Yb³⁺共掺氟氧化物玻璃的量子剪切效率。

实施例3

一种提高Si基太阳能效率的Tb³⁺-Yb³⁺共掺氟氧化物玻璃，由如下摩尔份数的组分构成：

50mol SiO₂—20mol Al₂O₃—30mol CaF₂—0.5mol Tb₄O₇—5mol Yb₂O₃。

上述Tb³⁺-Yb³⁺共掺氟氧化物玻璃的制备方法，包括如下步骤：

（1）、取规定量的SiO₂、Al₂O₃、CaF₂、Tb₄O₇和Yb₂O₃粉末研磨1h至混合均匀；

（2）、将研磨后的粉末混合物置于刚玉坩埚中，在高温炉中于1400℃保温100min；

（3）、将熔融的玻璃液迅速倒在钢板上，使其自然冷却至室温；

（4）、将得到的玻璃在高温炉中以550℃的温度保温3h，去除内应力；

（5）、将玻璃切割抛光，形成2mm厚的Tb³⁺-Yb³⁺共掺氟氧化物玻璃。

测量Tb³⁺-Yb³⁺共掺氟氧化物玻璃的吸收光谱、光致发光光谱、时间分辨光谱；计算Tb³⁺-Yb³⁺共掺氟氧化物玻璃的量子剪切效率。

上述Tb³⁺-Yb³⁺共掺氟氧化物玻璃在目前成熟的Si基太阳电池上表层增加兼容性很好的近红外量子剪切光谱转换层，利用该转换层提高太阳电池对可见光的利用效率，同时在近红外区域获得双倍光电流，以此降低Si基太阳能电池的损耗，提高Si基太阳能电池的效率。本发明将为Si基太阳能电池效率的提高提供新的途径。

根据图3计算Tb³⁺-Yb³⁺共掺氟氧化物玻璃的量子剪切效率，验证本实施方式的效果：计算可得，对于Yb³⁺浓度分别为x=1，5，10时，量子剪切层的量子效率分别为104%、120%、132%。由此可见，该量子剪切层的确可以通过光谱调制，将一个可见光子调制为两个近红外光子，增加总的量子效率，从而实现Si基太阳能电池光电流的增加，提高其转换效率。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照本发明实施例进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明的技术方案的精神和范围，其均应涵盖本发明的权利要求保护范围中。

Claims (2)

1.一种提高Si基太阳能效率的Tb³⁺-Yb³⁺共掺氟氧化物玻璃，其特征在于：由如下摩尔份数的组分构成：

SiO₂            50，

Al₂O₃            20，

CaF₂            30，

Tb₄O₇           0.5，

Yb₂O₃           x/2；

其中，x=1~10。

2.一种权利要求1所述的提高Si基太阳能效率的Tb³⁺-Yb³⁺共掺氟氧化物玻璃的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

（1）、取规定量的SiO₂、Al₂O₃、CaF₂、Tb₄O₇和Yb₂O₃粉末研磨混合均匀；

（2）、将研磨后的粉末混合物置于刚玉坩埚中，在高温炉中于1350~1400℃保温90~100min；

（3）、将熔融的玻璃液迅速倒在钢板上，使其自然冷却至室温；

（4）、将得到的玻璃在高温炉中以500~550℃的温度保温3h，去除内应力；

（5）、将玻璃切割抛光，形成2mm厚的Tb³⁺-Yb³⁺共掺氟氧化物玻璃。