CN105038794A - 一种用于提高太阳能电池能效的光转化材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于提高太阳能电池能效的光转化材料，其化学组成通式为aL.bM.cN.dQ，其中L为L＝Ca、Sr、Ba、Li、Na和K的一种或两种以上，M为M＝BO₃或PO₄一种或两种以上；N＝SiO₂或Al₂O₃,Q＝Y、Mn、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb和Lu一种或两种以上；0≤a≤5，0≤b≤6，0≤c≤6，0≤d≤1，并公开其制备方法。本发明公开的光转化材料使一种吸收太阳能光谱中的200-500nm的光转换为500-650nm的绿色、橙色、红色荧光，提高硅基太阳能电池的光转化效率。

Description

一种用于提高太阳能电池能效的光转化材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及光转化材料技术领域，尤其涉及一种用于提高太阳能电池能效的光转化材料及其制备方法。

背景技术

太阳能具有可再生、无污染等优点，是一种极具竞争力的绿色新能源，硅基太阳能电池光伏发电技术被认为是当今最具发展前景的新能源技术。

硅基太阳能电池为业界常见的一种太阳能电池。硅基太阳能电池的原理是将高纯度的半导体材料(硅)加入掺质物使其呈现不同的性质，以形成p型半导体及n型半导体，并将p-n两型半导体相接合，如此即可形成p-n结面。当太阳光照射到一个p-n结构的半导体时，光子所提供的能量可能会把半导体中的电子激发出来产生电子-空穴对。光生空穴流向p区，光生电子流向n区，接通电路后就产生电流，即可构成太阳能电池。

在低纬度、高原地带，295-400nm紫外线的能量占据光总能量4.7％以上。在长期高能紫外光照射下，由于硅基太阳能电池界面陷阱的增加，导致硅基太阳能电池转换效率下降、光转化效率性能衰退。其次，这部分能量除了给出一个光子以外，大部分能量以热能形式散发出去，这恰恰又提高了p区工作区的温度。

专利号为CN201010292224.6的发明专利公开了一种钼钨酸盐稀土光转换材料及其制备方法。该光转换材料的组成通式为：R2-xMo1-yWyO6:Yb3+x。该荧光粉的制备方法为：按通式比例准确称量原料，将上述组成通式中的元素的氧化物或相应的盐类，混合研磨均匀后，在空气气氛下1200～1400℃烧结2～6小时，冷却至室温后取出并充分研磨，即得到钼钨酸盐稀土光转换材料。本发明公开的光转换材料在250～450nm波长范围内具有强吸收，其发射主峰位于950～1100nm，具有紫外至可见光区宽谱带激发和强近红外发射等优点，可作为硅基太阳能电池用光转换材料。

专利号为CN201310218531.3的发明专利公开了一种稀土光转换荧光粉及其制备方法。其基本化学组成通式为：aA2O·bBO·cSiO2·dEu2O3·eEr2O3，其中A为Li、Na、K中的一种或多种，B为Mg、Ca、Sr、Ba中的一种或多种，所述的a、b、c、d和e为摩尔数，且所述的0.8≤a≤1.2，0.9≤b+2d+2e≤1.1，0.9≤c≤1.1，0.0001≤d≤0.1，0.0001≤e≤0.15，并公开了其制备方法。本发明公开的稀土光转换材料在250-650nm波长范围内具有强吸收，其红外发射主峰位于1538nm，具有紫外至可见光区广范围激发和强近红外发射等优点，可作为潜在应用于锗基太阳能电池的光转换材料。

专利号为CN201310444963.6的发明专利公开了一种喹喔啉基共聚物及其制备方法和应用，发明的喹喔啉基共聚物中，喹喔啉是一个优良的电子受体单元，非常有潜力应用于有机太阳能电池中，苯环上经过烷氧基链的修饰，有利于提高聚合物溶解性能和成膜性能；菲是一种具有大平面刚性结构的化合物，它具有较高的热稳定性和强的荧光性能；将上述喹喔啉基共聚物应用于太阳能电池中，可以提高有机太阳能电池器件的光转换率。

专利号为CN201410319936.0的发明专利公开了一种近紫外激发稀土硼酸盐荧光粉基质及荧光粉制备方法，该硼酸盐荧光粉的通式为NaBaBO3：xRe，yM(亦即BaNaBO3：xRe，yM)。其中，NaBaBO3(亦即BaNaBO3)硼酸盐为发光基质，Re为掺杂的稀土发光中心，M为辅助掺杂元素。本发明荧光粉制备工艺简单，通过在该基质中掺杂不同稀土元素，可以得到在近紫外激发下，在各个光谱区域有强烈发射的荧光材料。本发明制备方法简单，易于操作，无污染，成本低。其可以应用于紫光激三基色白光LED荧光粉、下转换太阳能电池荧光粉以及各种显示装置中，还可作为近紫光激发的下转换荧光材料用于促进农作物生长的农膜。

专利号为200910067521.8的发明专利公开了一种发光颜色可调的荧光材料，该荧光材料的化学通式为Sr_2-xEu_xM_yCeO_4+(x+y)/2，其中，M＝Li，Na或K，0.00001≤x≤0.6，0.0001≤y≤0.9。它的激发区域位于220-380nm之间，通过改变铕离子及作为共激活剂的碱金属离子在该材料中的含量，可以实现发光颜色由蓝色到白色到橙色到红色可调。通过以下三种方法得到的荧光材料的发光颜色都可以由蓝色到白色到橙色到红色逐步变化：(1)固定碱金属的掺杂量，逐渐增加铕离子的掺杂量；(2)固定铕离子的掺杂量，逐渐增加碱金属离子的掺杂量；(3)同时增加碱金属和铕离子的掺杂量。

虽然上述材料均公开了荧光材料，但是不能使在一种吸收太阳能光谱中的200-400nm的光转换为530-600nm的绿色、橙色荧光，不能提高硅基太阳能电池的光转化效率。

发明内容

本发明的目的在于提高硅基太阳能光转化效率提出一种用于提高太阳能电池能效的光转化材料及其制备方法。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种用于提高太阳能电池能效的光转化材料，其化学组成通式为aL.bM.cN.dQ，其中L为L＝Ca、Sr、Ba、Li、Na和K的一种或两种化合物以上，M为M＝BO₃或PO₄一种或两种化合物以上；N＝SiO₂或Al₂O₃,Q＝Y、Mn、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb和Lu一种或两种化合物以上；0≤a≤5，0≤b≤6，0≤c≤6，0≤d≤1。

当太阳高度角在90度时，295-400nm紫外线的能量占据光总能量4.7％，由于长期高能紫外光照射下，由于界面陷阱的增加，会导致转换效率下降和太阳能电池性能衰退。其次，这部分能量恰恰是现有硅基电池中无法利用的，极大降低了光能量利用率。通过吸收太阳能光谱中的200-400nm的光转换为530-600nm的绿色、橙色及1100nm左右的荧光，提高硅基太阳能电池的光转化效率，减缓高能紫外光照射对太阳能电池性能衰退及光转化率的影响。

优选的，所述的L由以下化合物的一种或两种获得：CaCO₃、SrCO₃、BaCO₃、MgO、Li₂CO₃、Na₂CO₃、K₂CO₃、Sr₃N₂和Ca(CN)₂。

优选的，所述的M由以下化合物的一种或两种获得：H₃BO₃，B₂O₃，SrB₄O₇，BaB₄O₇，NH₄H₂PO₄、(NH₄)₃PO₄和Na₂HPO₄。

优选的，所述的N由以下化合物的一种或两种获得：SiO₂、Al₂O_3、Si₃N₄和AlN。

优选的，所述的Q由以下化合物的一种或两种获得：MnO₂、MnCO₃、Y₂O₃、CeO₂、La₂O₃、Pr₆O₁₁、Sm₂O₃、Eu₂O₃、Gd₂O₃、Tb₄O₇、Dy₂O₃、Ho₂O₃、Er₂O₃、Tm₂O₃、Yb₂O₃和Lu₂O₃。

优选的，所述的1≤a≤3.5，0.1≤b≤2.5，1≤c≤3.5，0.1≤d≤0.5。

一种上述任意一项所述的用于提高太阳能电池能效的光转化材料的制备方法，其特征在于：按照化学组成通式aL.bM.cN.dQ，称取各元素的氧化物或相应盐类在密闭容器中混料，然后将混合物在Ar或N₂-H₂气氛下，在800-1650℃合成炉中保温4-8小时，冷却、破碎分级，过筛，即可得到光转化材料。

一种上述的所述的用于提高太阳能电池能效的光转化材料的使用方法，其特征在于：将获得的光转化材料按质量比为1-20％加入高透射薄膜材料，然后通过注塑成型制备成呈半球形、圆锥形、反半球形和反圆锥形一种或两种混合结构棱镜光学增益结构，最后将这种光增益结构安装在硅胶太阳能电池的N半导体电极区的顶部。

优选的，所述高透射薄膜材料为有机高分子材料。

进一步优选的，所述高透射薄膜材料为PC、PS，PMMA、无机非晶态光学玻璃或透明陶瓷材料。

本发明公开的光转化材料使一种吸收太阳能光谱中的200-400nm的光转换为500-650nm的绿色、橙色、红色荧光，提高硅基太阳能电池的光转化效率。

附图说明

图1实施例1材料的激发、发射光谱图。

图2为实施例1的XRD衍射图。

图3实施例2材料的激发、发射光谱图。

图4为实施例2的XRD衍射图。

图5实施例3材料的激发、发射光谱图，

图6为实施例3的XRD衍射图。

图7实施例4材料的激发、发射光谱图。

图8为实施例4的XRD衍射图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

实施例1

将一种200～400nm紫外线转化500～650nm左右绿色、橙色左右的荧光材料，其化学组成为aL.bM.cN:dQ(L＝Ca，Sr,M＝BO₃,N＝SiO₂,Q＝La、Ce、Tb、Gd、Mn一种或两种化合物以上)，a＝1，b＝5.9，c＝0.1，d＝0.5。即化学组成为Sr_0.1Ca_0.9B_5.9Si_0.1La_0.43Ce_0.03Tb_0.01Gd_0.01Mn_0.02O_10.79，按照上述化学组成将90克CaCO₃、14.762克SrCO₃、364.67克H₃BO₃、6克SiO₂、70.05克La₂O₃、5.175克CeO₂、1.87克Tb₄O₇、1.81克Gd₂O₃、1.74克MnO₂在密闭容器中混料；然后将混合物在95％N₂-5％H₂气氛下，在1300℃合成炉中保温6小时，冷却、破碎分级，过筛，即可得到光转化材料，其激发、发射光谱如图1所示。

将上述12％(质量比％)光转化材料加入高透射有机高分子材料PMMA中，然后通过注塑成型制备成呈半球形、圆锥形、反半球形和反圆锥形一种或两种混合结构棱镜光学增益结构，最后将这种光增益结构安装在硅基太阳能电池的N半导体电极区的顶部,测试太阳能电池器件的输出功率119W/m²。

如图1所示，本实施例获得的光转化材料的发射主峰位于496nm，545nm，610nm左右，在250～400nm波段可有效激发，最强的激发峰位于325nm；而且如图2所示，该材料晶体属于斜方六方面体，R32，晶胞参数a＝b＝9.302，c＝7.26。实施例2

将一种200～400nm紫外线转化500～650nm左右绿色、橙色左右的荧光材料，其化学组成为aL.bM.cN:dQ(L＝Li，Na，M＝BO₃,N＝Al₂O₃，Q＝Y，Lu，Ce,一种或两种化合物以上)，a＝6，b＝3，c＝0.01，d＝1，即化学组成为Li_5.9Na_0.1B₃Al_0.01Y_0.9Lu_0.05Ce_0.05O_9.03，按照上述化学组成将217.95克Li₂CO₃、5.3克Na₂CO₃、104.43克B₂O₃、0.51克Al₂O₃、101.56克Y₂O₃、8.625克CeO₂、9.9485克Lu₂O₃在密闭容器中混料；然后将混合物在95％N₂-5％H₂气氛下，在850℃合成炉中保温12小时，冷却、破碎分级，过筛，即可得到光转化材料，其激发、发射光谱如图2所示。将上述10％(质量比％)光转化材料加入高透射有机高分子材料PS中，然后通过注塑成型制备成呈半球形、圆锥形、反半球形和反圆锥形一种或两种混合结构棱镜光学增益结构。测试太阳能电池器件的输出功率135W/m²。

如图3所示，本实施例获得的光转化材料的发射主峰位于500nm左右，在250～400nm波段可有效激发；而且如图4所示，该材料晶体属于六方晶系，晶胞参数a＝b＝3.761，c＝8.79。

实施例3

将一种200～400nm紫外线转化500-650nm左右绿色、橙色左右的荧光材料，其化学组成为aL.bM.cN:dQ(L＝Ca，Sr，Ba,M＝BO₃,N＝SiO₂,Q＝Y,Eu一种或两种化合物以上)，a＝5.6，b＝0.2,c＝1.8，d＝0.4，即化学组成为Ca_0.1Sr_5.2Ba_0.3B_0.2Si_1.8Y_0.2Eu_0.2O_10.1，按照上述化学组成将10克CaCO₃、768.82克SrCO₃、59.19克BaCO₃、12.36克H₃BO₃、108克SiO₂、22.51克Y₂O₃、35.19克Eu₂O₃在密闭容器中混料,在密闭容器中混料；然后将混合物在95％Ar-5％H₂气氛下，在1500℃合成炉中保温6小时，冷却、破碎分级，过筛，即可得到光转化材料，其激发、发射光谱如图4所示。在密闭容器中混料；然后将混合物在95％N₂-5％H₂气氛下，在850℃合成炉中保温12小时，冷却、破碎分级，过筛，即可得到光转化材料，其激发、发射光谱如图3所示。将上述15％(质量比％)光转化材料加入高透射有机高分子材料PC中，然后通过注塑成型制备成呈半球形、圆锥形、反半球形和反圆锥形一种或两种混合结构棱镜光学增益结构，。测试太阳能电池器件的输出功率128W/m²。

如图5所示，本实施例获得的光转化材料的发射主峰位于575nm左右，在250～450nm波段可有效激发，最强激发带位于325nm；而且如图6所示，该材料晶体属于四方晶系，P-421m空间群,晶胞参数a＝b＝8.002，c＝5.171。

实施例4

将一种200-400nm紫外线转化500-650nm左右绿色、橙色左右的荧光材料，其化学组成为aL.bM.cN:dQ(L＝Sr，Ca,M＝PO₄,N＝Al_,Si,Q＝Eu、Ce一种或两种以上)，a＝1.9，b＝0，c＝4.25，d＝0.2，即化学组成Ca_1.5Sr_0.4Al_2.05Si_2.2Y_0.01Eu_0.1Ce_0.1O_0.31N_6.29，按照上述化学组成将150克CaCO₃、59.14克SrCO₃、84.05克AlN、17.59克CeO₂、17.60克Eu₂O₃、102.67克Si₃N₄、1.12克Y₂O₃密闭容器中混料,在密闭容器中混料、然后将混合物在99.999％N₂气氛下，在1850℃合成炉中保温22小时，冷却、破碎分级，过筛，即可得到光转化材料，其激发、发射光谱如图4所示。将上述9％(质量比％)光转化材料加入高透射有机高分子材料PMMA中，然后通过注塑成型制备成呈半球形、圆锥形、反半球形和反圆锥形一种或两种混合结构棱镜光学增益结构，。测试太阳能电池器件的输出功率155W/m²。

如图7所示，本实施例获得的光转化材料的发射主峰位于645nm左右，在250～500nm波段可有效激发，最强激发带位于325nm；而且如图8所示，该材料晶体属于斜方晶系，Pmn2₁晶胞参数a＝5.74,b＝6.82，c＝9.33。

其中的测试条件与方法：

(1)、激发、发射光谱由荧光光谱仪JY-3测试，测试温度为室温；检测标准GB/T14633-2010；

(2)、太阳能电池板输出功率高精度的功率测量仪WT3000测试。

在此说明，上述所有实施例中，所述的L除了是Li，Na其他的K也可实现以上的效果；所述的Q除了是Y、Ce、Tb、Gd、Mn、La和Eu，Lu其他的Sm、Pr、Nd、Dy、Ho、Yb、Er和Tm也可实现以上的效果。

以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于提高太阳能电池能效的光转化材料，其特征在于：其化学组成通式为aL.bM.cN.dQ，其中L为L＝Ca、Sr、Ba、Li、Na和K的一种或两种化合物以上，M为M＝BO₃或PO₄一种或两种化合物以上；N＝Si或Al,Q＝Y、Mn、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb和Lu一种或两种化合物以上；0≤a≤5，0≤b≤6，0≤c≤6，0≤d≤1。

2.根据权利要求1所述的用于提高太阳能电池能效的光转化材料，其特征在于：所述的L由以下化合物的一种或两种获得：CaCO₃、SrCO₃、BaCO₃、MgO、Li₂CO₃、Na₂CO₃、K₂CO_3、Sr₃N₂和Ca(CN)₂。

3.根据权利要求1所述的用于提高太阳能电池能效的光转化材料，其特征在于：所述的M由以下化合物的一种或两种获得：H₃BO₃，B₂O₃，SrB₄O₇，BaB₄O₇，NH₄H₂PO₄、(NH₄)₃PO₄和Na₂HPO₄。

4.根据权利要求1所述的用于提高太阳能电池能效的光转化材料，其特征在于：所述的N由以下化合物的一种或两种获得：SiO₂、Al₂O_3、Si₃N₄和AlN。

5.根据权利要求1所述的用于提高太阳能电池能效的光转化材料，其特征在于：所述的Q由以下化合物的一种或两种获得：MnO₂、MnCO₃、Y₂O₃、CeO₂、La₂O₃、Pr₆O₁₁、Sm₂O₃、Eu₂O₃、Gd₂O₃、Tb₄O₇、Dy₂O₃、Ho₂O₃、Er₂O₃、Tm₂O₃、Yb₂O₃和Lu₂O₃。

6.根据权利要求1所述的用于提高太阳能电池能效的光转化材料，其特征在于：所述的1≤a≤3.5，0.1≤b≤2.5，1≤c≤3.5，0.1≤d≤0.5。

7.一种获得如权利要求1-6任意一项所述的用于提高太阳能电池能效的光转化材料的制备方法，其特征在于：按照化学组成通式aL.bM.cN.dQ，称取各元素的氧化物或相应盐类在密闭容器中混料，然后将混合物在惰性气体或还原性气氛下，在800-1850℃合成炉中保温4-24小时，冷却、破碎分级，过筛，即可得到光转化材料。

8.一种如权利要求1-7任意一项所述的用于提高太阳能电池能效的光转化材料的使用方法，其特征在于：将获得的光转化材料按质量比为1-20％的加入高透射薄膜材料，然后通过注塑成型制备成呈半球形、圆锥形、反半球形和反圆锥形一种或两种混合结构棱镜光学增益结构，最后将这种光增益结构安装在硅胶太阳能电池的N半导体电极区的顶部。

9.根据权利要求8所述的使用方法，其特征在于：所述高透射薄膜材料为有机高分子材料，所述有机高分子材料为PC、PS，PMMA。