CN104893717A

CN104893717A - 光谱转换材料、转光层材料、复合膜与太阳能电池

Info

Publication number: CN104893717A
Application number: CN201510319317.6A
Authority: CN
Inventors: 张忠义; 琚建勇; 张立业; 孔祥薇; 秦晓婷; 敖琛; 闫慧忠; 申孟林
Original assignee: Baotou Rare Earth Research Institute; Tianjin Baogang Rare Earth Research Institute Co Ltd
Current assignee: Baotou Rare Earth Research Institute; Tianjin Baogang Rare Earth Research Institute Co Ltd
Priority date: 2015-06-09
Filing date: 2015-06-09
Publication date: 2015-09-09
Anticipated expiration: 2035-06-09
Also published as: CN104893717B

Abstract

本发明提供了一种稀土光谱转换材料，本申请还提供了一种转光层材料，其包括：如式(Ⅰ)所示的无机稀土光谱转换材料、如式(Ⅱ)所示的有机稀土光谱转换材料与载体材料。本申请转光层材料中的无机稀土光谱转换材料同时具有上转换和下转换发光特性，能够吸收紫外光和红外光，转换为可见光，且有机稀土光谱转换材料具有量子产率高、光谱与晶硅太阳能电池光谱响应匹配好的优点，因此由转光层材料形成的复合膜应用于太阳能电池上，提高了太阳能电池的光电转换效率；SrAl₂O₄：Eu²⁺ _x，Dy³⁺ _y(Ⅰ)；Eu(TTA)₃Phen(Ⅱ)。

Description

光谱转换材料、转光层材料、复合膜与太阳能电池

技术领域

本发明涉及太阳能电池材料技术领域，尤其涉及光谱转换材料、转光层材料、复合膜与太阳能电池。

背景技术

可持续绿色能源是未来开发新能源的重点，太阳能是一种可再生能源。我国太阳能资源丰富，积极开发利用太阳能，推进光伏发电可有效缓解能源危机、大气污染等。但是太阳能电池光电转换效率低，如晶硅太阳能电池，其理论光电转换效率仅为31％。由于电池的能带结构和太阳光谱不匹配，太阳能电池光谱响应范围约为300～1100nm，而在紫外波段和红外波段响应度非常低，几近于零。为了提高光电转换效率，研究者将研究方向集中在如何使太阳能电池全谱吸收入射太阳光而转化为电。

稀土元素中具有较强上转换发光和下转换发光的离子较多，如铈、镨、钐、铕、铽和镝稀土元素具有下转换发光特性；而钬、铒、铥和镱具有上转换发光特性。因此通过选择适当的基质材料或配体，可以实现较好的上下转换发光，得到新性能的材料。稀土光谱转换材料通过选择合适的稀土离子和基质并优化化学配比，可以吸收波长低于300nm和高于1100nm的太阳光，并转换为可见光，从而提高电池的光电转换效率。

SrAl₂O₄：Eu²⁺，Dy³⁺稀土光谱转换材料是1996年发现的，该种材料可采用多种方法制备，例如固相反应法、共沉淀法、燃烧法、溶胶-凝胶法等。一般制备原料都是Eu³⁺，为了得到Eu²⁺，可使用氢气、一氧化碳、活性炭和氨气等还原剂。SrAl₂O₄：Eu²⁺，Dy³⁺稀土光谱转换材料同时具有上转换和下转换发光特性，但是作为光谱转换材料用于太阳能电池上并有效提高光电转换效率鲜见报道。

李伟等人用0.5mol％TTFA：Eu³⁺+0.5mol％PHBA：Tb³⁺作为活性组分，正硅酸乙酯、γ-缩水甘油醚丙基三甲氧基硅烷、无水乙醇和水为原料，按TEOS:GPTMS:C₂H₅OH:H₂O＝1:1:8:8.比例成膜后作为电池的减反膜，对薄膜硅太阳能电池的效率具有提升作用。

赵曙辉等人用新的合成方法合成了稀土配合物Eu(TTA)₃Phen。研究了该配合物的IR、UV、TGA、元素分析和荧光光谱。该配合物具有良好的发光性能和热稳定性。采用加热方法将Eu(TTA)₃Phen掺入PMMA树脂中，制成发光塑料树脂，并测定其发光性能。结果表明，Eu(TTA)₃Phen掺入PMMA树脂后仍保持该稀土配合物原有的发光特性，制成的Eu(TTA)₃Phen-PMMA树脂复合材料具有良好的发光性能，其发光强度与Eu(TTA)₃Phen掺入的含量有关。M.Kennedy et al.利用Eu(TTA)₃Phen络合物具有大的斯托克斯迁移的特点作为染料敏化太阳能电池(DSSC)的紫外阻挡层来提高其稳定性，将Eu(TTA)₃Phen络合物与聚乙烯醇缩丁醛(PVB)成膜后，不但提高了染料敏化太阳能电池的稳定性，而且还提高了电池的短路电流。

转光层由光谱转换材料及其载体材料组成。光谱转换材料可以是有机材料，也可以是无机材料。利用光谱转换材料的特性可以实现转光层的下转换或上转换方式，将太阳能电池不能有效响应的紫外光或红外光转换为电池能够有效响应的可见光，从而提高电池的光电转换效率。由此，本申请提供了一种转光层材料以提高太阳能电池的光电转换效率。

发明内容

本发明解决的技术问题在于提供一种能够提高太阳能电池光电转换效率的转光层材料。

有鉴于此，本申请提供了一种光谱转换材料，包括：如式(Ⅰ)所示的无机稀土光谱转换材料与如式(Ⅱ)所示的有机稀土光谱转换材料，所述无机稀土光谱转换材料与有机稀土光谱转换材料的质量比为1:200～16:1；

SrAl₂O₄：Eu²⁺ _x，Dy³⁺ _y (Ⅰ)；

Eu(TTA)₃Phen (Ⅱ)；

其中，0.01≤x≤0.06，0.005≤y≤0.04。

本申请还提供了一种转光层材料，包括：如式(Ⅰ)所示的无机稀土光谱转换材料、如式(Ⅱ)所示的有机稀土光谱转换材料和载体材料；

SrAl₂O₄：Eu²⁺ _x，Dy³⁺ _y (Ⅰ)；

Eu(TTA)₃Phen (Ⅱ)；

其中，0.01≤x≤0.06，0.005≤y≤0.04。

优选的，所述转光层材料还包括添加剂，所述添加剂选自聚氨酯环氧树脂、纤维素、脂肪族胺、脂环族胺和聚合物类环氧树脂中的一种或多种；所述载体材料为聚甲基丙烯酸甲酯或聚醋酸乙烯酯。

优选的，所述无机稀土光谱转换材料的含量为0.05wt％～8wt％，有机稀土光谱转换材料的含量为0.5wt％～10wt％，添加剂的含量为0.02wt％～5wt％，载体材料的含量为77wt％～99wt％。

优选的，所述无机稀土光谱转换材料的含量为0.2wt％～5wt％。

优选的，所述有机稀土光谱转换材料的含量为3wt％～8wt％。

优选的，所述无机稀土光谱转换材料的中心粒径小于50μm，且粒度分布(D₉₀-D₁₀)/2D₅₀＜1。

本申请还提供了所述的转光层材料形成的复合膜。

优选的，所述复合膜的厚度为5～500μm。

本申请还提供了一种太阳能电池，包括：受光面沉积有上述方案所述复合膜的太阳能电池组件。

本申请提供了一种转光层材料，其包括无机稀土光谱转换材料、有机稀土光谱转换材料与载体材料；本申请的无机稀土光谱转换材料具有中心粒径和粒度分布好的特点，还具有发射强度高、发射带宽、量子产率高、化学和热稳定性好的优点，其同时具有上转换和下转换发光特性，能够吸收紫外光和红外光转换为可见光，而有机稀土光谱转换材料具有量子产率高、光谱与晶硅太阳能电池光谱响应匹配好的优点，因此本申请将含有有机稀土光谱转换材料与无机稀土光谱转换材料的转光层材料形成的复合膜应用于太阳能电池，提高了太阳能电池对紫外光和红外光部分的有效利用，使太阳能电池的光电转换效率得到了提高。实验结果表明，本发明提供的太阳能电池的光电转换效率提高了2.2％以上。

附图说明

图1为SrAl₂O₄：Eu²⁺ _0.03，Dy³⁺ _0.04光谱转换材料的下转换发射光谱图；

图2为SrAl₂O₄：Eu²⁺ _0.03，Dy³⁺ _0.04光谱转换材料的上转换发射光谱图；

图3为有机稀土光谱转换材料的Eu(TTA)₃Phen的发射光谱图；

图4为有机稀土光谱转换材料的Eu(TTA)₃Phen的激发光谱图。

具体实施方式

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。

本发明实施例公开了一种稀土光谱转换材料，包括：如式(Ⅰ)所示的无机稀土光谱转换材料与如式(Ⅱ)所示的有机稀土光谱转换材料，所述无机稀土光谱转换材料与有机稀土光谱转换材料的质量比为1:200～16:1；

SrAl₂O₄：Eu²⁺ _x，Dy³⁺ _y (Ⅰ)；

Eu(TTA)₃Phen (Ⅱ)；

其中，0.01≤x≤0.06，0.005≤y≤0.04。

本申请无机稀土光谱转换材料SrAl₂O₄：Eu²⁺ _x，Dy³⁺ _y，具有上转换和下转换发光特性。本申请的有机稀土光谱转换材料Eu(TTA)₃Phen，其具有量子产率高、光谱与晶硅太阳能电池光谱响应匹配好的优点。本申请中所述无机光谱转换材料与有机光谱转换材料的质量比优选为1:5～1:1.25。

本发明实施例公开了一种转光层材料，包括：如式(Ⅰ)所示的无机稀土光谱转换材料、如式(Ⅱ)所示的有机稀土光谱转换材料与载体材料；

SrAl₂O₄：Eu²⁺ _x，Dy³⁺ _y (Ⅰ)；

Eu(TTA)₃Phen (Ⅱ)；

其中，0.01≤x≤0.06，0.005≤y≤0.04。

本申请提供了一种转光层材料，其包括：化学式为SrAl₂O₄：Eu²⁺ _x，Dy³⁺ _y的无机稀土光谱转换材料、化学式为Eu(TTA)₃Phen的有机稀土光谱转换材料与载体材料。本申请提供的转光层材料形成的复合膜应用于太阳能电池能够提高太阳能电池的光电转换效率。

按照本发明，在所述转光层材料采用化学式为SrAl₂O₄：Eu²⁺ _x，Dy³⁺ _y的无机稀土光谱转换材料，其具有下转换发光特性，其激发波长约为350～400nm，发射波长约为500～540nm。如图1所示，图1为SrAl₂O₄：Eu²⁺ _0.03，Dy³⁺ _0.04光谱转换材料的下转换发射光谱图，根据图1可知，SrAl₂O₄：Eu²⁺ _0.03，Dy³⁺ _0.04的发射波长和激发波长分别为533nm和360nm。本申请人经过研究发现，无机稀土光谱转换材料SrAl₂O₄：Eu²⁺ _x，Dy³⁺ _y还具有上转换发光特性，图2为SrAl₂O₄：Eu²⁺ _0.03，Dy³⁺ _0.04光谱转换材料的上转换发射光谱图，其中图2(a)使用1064nm红外激光器作为光源，图2(b)使用1310nm红外激光器作为光源，根据图2可知，无机稀土光谱转换材料具有在1310nm激发下产生可见区的绿色发光。本申请的无机稀土光谱转换材料具有发射强度高、发射带宽、量子产率高、化学和热稳定性好、环境友好无污染等优点，将其作为转换层材料能够将晶硅太阳能电池不能有效响应的紫外光和红外光转换为可以有效利用的可见光，从而提高其光电转换效率。

本申请中所述无机稀土光谱转换材料的中心粒径小于50μm，粒度分布满足(D₉₀-D₁₀)/2D₅₀﹤1，无机稀土光谱材料的粒径与粒度分布均会影响太阳能电池的光电转换效率，粒径大影响透光性，效率下降，粒度分布不好，则影响透光而使效率下降。本申请所述无机稀土光谱转换材料的含量优选为0.05wt％～8wt％，在一些实施例中，所述无机稀土光谱转换材料的含量优选为0.2wt％～5wt％，在一些实施例中，所述无机稀土光谱转换材料的含量优选为1wt％～3wt％。所述无机稀土光谱转换材料的含量过多而影响复合膜的透光性，则使光电转换效率下降。

按照本发明，所述转光层材料中还包括化学式为Eu(TTA)₃Phen的有机稀土光谱转换材料，其具有量子产率高、光谱与晶硅太阳能电池光谱响应匹配好的优点。如图3、图4所示，图3为有机稀土光谱转换材料的Eu(TTA)₃Phen的发射光谱图，图4为有机稀土光谱转换材料的Eu(TTA)₃Phen的激发光谱图；根据图3、图4可知，有机稀土光谱转换材料的激发波长为335nm，发射波长为612nm。本申请所述有机稀土光谱转换材料的含量优选为0.5wt％～10wt％，在一些实施例中，所述有机稀土光谱转换材料的含量优选为3wt％～8wt％，在一些实施例中所述有机稀土光谱转换材料的含量优选为5wt％～7wt％。所述有机稀土光谱转换材料的含量过高则会影响透光性而使光电转化效率下降。

本申请所述转光层材料中的载体材料优选为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚醋酸乙烯酯(EVA)。所述载体材料的含量优选为77wt％～99wt％，在一些实施例中，所述载体材料的含量优选为85wt％～95wt％，在一些实施例中，所述载体材料的含量优选为88wt％～92wt％。

本发明中所述转光层材料中还包括添加剂，所述添加剂优先选自聚氨酯环氧树脂、纤维素、脂肪族胺、脂环族胺与聚合物类环氧树脂中的一种或多种，更优选为聚氨酯环氧树脂或纤维素。本申请所述添加剂的含量优选为0.02wt％～5wt％，在一些实施例中，所述添加剂的含量优选为0.5wt％～4wt％，在一些实施例中，所述添加剂的含量优选为1wt％～3.5wt％。本申请所述添加剂不仅能够改进高分子膜的柔性，而且还可以提高膜的光学性能。

本申请还提供了一种复合膜，所述复合膜是由上述转光层材料形成的。所述复合膜的厚度优选为5～500μm，在一些实施例中，所述复合膜的厚度优选为80～350μm，在一些实施例中，所述复合膜的厚度优选为100～200μm。本申请所述复合膜中包括无机稀土光谱转换材料，有机稀土光谱转换材料与载体材料，为了提高复合膜的性能，本申请所述复合膜中还包括添加剂。所述复合膜的组分上述已经进行了详细说明，此处不再进行赘述。

本发明还提供了一种太阳能电池，包括：受光面沉积有上述方案所述的复合膜的太阳能电池组件。具体的，所述复合膜可以通过旋涂、真空蒸镀、浇铸成膜或聚合成膜等方式应用于太阳能电池组件玻璃的外表面、内表面、电池片的表面以及双面电池的正反两面。

本发明提供一种转光层材料，其包括同时具有上转换和下转换发光特性化学式为SrAl₂O₄：Eu²⁺ _x，Dy³⁺ _y的无机稀土光谱转换材料，有机稀土光谱转换材料的化学式为Eu(TTA)₃Phen与载体材料；两种稀土光谱转换材料与PMMA或EVA制成柔性复合高分子膜。利用该种膜吸收紫外光和红外光，转换为太阳能电池可吸收利用的可见光，提高太阳能电池的光电转换效率。测试结果显示，应用该复合膜的硅基太阳能电池，光电转换效率提高2.2％以上。

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的转光层材料、复合膜进行详细说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。

实施例1

无机光谱转换材料SrAl₂O₄：Eu²⁺ _x，Dy³⁺ _y的用量0.2wt％(其中x为0.03，y为0.04)，有机光谱转换材料Eu(TTA)₃Phen的用量8wt％，添加剂聚氨酯环氧树脂的用量1wt％，余量为PMMA，得到转光层材料。将转光层材料浇铸成膜，应用于太阳能电池玻璃的外表面，得到复合膜的厚度350微米。实验结果表明，太阳能电池的光电转换效率增加了2.2％。

实施例2

无机光谱转换材料SrAl₂O₄：Eu²⁺ _x，Dy³⁺ _y的用量0.2wt％(其中x为0.01，y为0.005)，有机光谱转换材料Eu(TTA)₃Phen的用量8wt％，添加剂聚氨酯环氧树脂的用量1wt％，余量为PMMA，得到转光层材料。将转光层材料浇铸成膜，应用于太阳能电池玻璃的外表面，得到复合膜的厚度80微米。实验结果表明，太阳能电池的光电转换效率增加了2.3％。

实施例3

无机光谱转换材料SrAl₂O₄：Eu²⁺ _x，Dy³⁺ _y的用量5wt％(其中x为0.06，y为0.04)，有机光谱转换材料Eu(TTA)₃Phen的用量3wt％，添加剂聚氨酯环氧树脂的用量1wt％，余量为PMMA，得到转光层材料。将转光层材料浇铸成膜，应用于太阳能电池玻璃的外表面，得到复合膜的厚度80微米。实验结果表明，太阳能电池的光电转换效率增加了2.2％。

实施例4

无机光谱转换材料SrAl₂O₄：Eu²⁺ _x，Dy³⁺ _y的用量3wt％(其中x为0.03，y为0.01)，有机光谱转换材料Eu(TTA)₃Phen的用量8wt％，添加剂纤维素的用量1wt％，余量为PMMA，得到转光层材料。将转光层材料浇铸成膜，应用于太阳能电池玻璃的外表面，得到复合膜的厚度80微米。实验结果表明，太阳能电池的光电转换效率增加了2.2％。

实施例5

无机光谱转换材料SrAl₂O₄：Eu²⁺ _x，Dy³⁺ _y的用量3wt％(其中x为0.05，y为0.008)，有机光谱转换材料Eu(TTA)₃Phen的用量5wt％，添加剂聚氨酯环氧树脂的用量1wt％，余量为PMMA，得到转光层材料。将转光层材料浇铸成膜，应用于太阳能电池玻璃的外表面，得到复合膜的厚度100微米。实验结果表明，太阳能电池的光电转换效率增加了2.3％。

实施例6

无机光谱转换材料SrAl₂O₄：Eu²⁺ _x，Dy³⁺ _y的用量3wt％(其中x为0.04，y为0.02)，有机光谱转换材料的用量5wt％，添加剂纤维素的用量3wt％，余量为PMMA，得到转光层材料。将转光层材料浇铸成膜，应用于太阳能电池玻璃的外表面，得到复合膜的厚度100微米。实验结果表明，太阳能电池的光电转换效率增加了2.4％。

实施例7

无机光谱转换材料SrAl₂O₄：Eu²⁺ _x，Dy³⁺ _y的用量3wt％(其中x为0.03，y为0.03)，，添加剂纤维素的用量0.8wt％，余量为PMMA，得到转光层材料。将转光层材料浇铸成膜，应用于太阳能电池玻璃的外表面，得到复合膜的厚度100微米。实验结果表明，太阳能电池的光电转换效率增加了2.3％。

实施例8

复合膜中无机光谱转换材料SrAl₂O₄：Eu²⁺ _x，Dy³⁺ _y的用量3wt％(其中x为0.03，y为0.04)，有机光谱转换材料Eu(TTA)₃Phen的用量5wt％，添加剂聚氨酯环氧树脂的用量0.8wt％，余量为PMMA，得到转光层材料。将转光层材料浇铸成膜，应用于太阳能电池玻璃的外表面，得到复合膜的厚度200微米。实验结果表明，太阳能电池的光电转换效率增加了2.3％。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims

1.一种光谱转换材料，包括：如式(Ⅰ)所示的无机稀土光谱转换材料与如式(Ⅱ)所示的有机稀土光谱转换材料，所述无机稀土光谱转换材料与有机稀土光谱转换材料的质量比为1:200～16:1；

SrAl₂O₄：Eu²⁺ _x，Dy³⁺ _y (Ⅰ)；

Eu(TTA)₃Phen (Ⅱ)；

其中，0.01≤x≤0.06，0.005≤y≤0.04。

2.一种转光层材料，包括：如式(Ⅰ)所示的无机稀土光谱转换材料、如式(Ⅱ)所示的有机稀土光谱转换材料和载体材料；

SrAl₂O₄：Eu²⁺ _x，Dy³⁺ _y (Ⅰ)；

Eu(TTA)₃Phen (Ⅱ)；

其中，0.01≤x≤0.06，0.005≤y≤0.04。

3.根据权利要求2所述的转光层材料，其特征在于，所述转光层材料还包括添加剂，所述添加剂选自聚氨酯环氧树脂、纤维素、脂肪族胺、脂环族胺和聚合物类环氧树脂中的一种或多种；所述载体材料为聚甲基丙烯酸甲酯或聚醋酸乙烯酯。

4.根据权利要求3所述的转光层材料，其特征在于，所述无机稀土光谱转换材料的含量为0.05wt％～8wt％，有机稀土光谱转换材料的含量为0.5wt％～10wt％，添加剂的含量为0.02wt％～5wt％，载体材料的含量为77wt％～99wt％。

5.根据权利要求4所述的转光层材料，其特征在于，所述无机稀土光谱转换材料的含量为0.2wt％～5wt％。

6.根据权利要求4所述的转光层材料，其特征在于，所述有机稀土光谱转换材料的含量为3wt％～8wt％。

7.根据权利要求2所述的转光层材料，其特征在于，所述无机稀土光谱转换材料的中心粒径小于50μm，且粒度分布(D₉₀-D₁₀)/2D₅₀＜1。

8.权利要求2～7任一项所述的转光层材料形成的复合膜。

9.根据权利要求8所述的复合膜，其特征在于，所述复合膜的厚度为5～500μm。

10.一种太阳能电池，其特征在于，包括：受光面沉积有如权利要求8～9任一项所述的复合膜的太阳能电池组件。