CN106450000A - 一种环保高性能宽光谱太阳能电池材料 - Google Patents

一种环保高性能宽光谱太阳能电池材料 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种环保高性能宽光谱太阳能电池材料，包括以下原料：2‑乙酰‑β‑甲基噻吩、2‑氨基‑5‑巯基‑1，3，4‑噻二唑、三羟甲基丙烷、环氧硅烷类偶联剂、马来酸酐接枝相容剂、丙烯酸型架桥剂、铂催化剂、石墨、炭黑、碳化硅、氮化铝、氮化硅、三氧化二铝、二氧化硅、碱性白土、碳纤维、硼纤维、羧乙基纤维素、二碱式亚磷酸铅、丙烯酸酯类调节剂、环氧丙氧丙基三甲氧基硅烷、701粉、聚合氯化铝、乙丙橡胶、癸二酸双（2，2，6，6‑四甲基‑4‑哌啶酯）、二盐基硬脂酸铅、2‑羟基‑4‑甲氧基二苯甲酮、聚磷酸铵。本发明的太阳能电池材料可有效利用太阳光中包括紫外和红外波段在内的能量，提高光电转换效率、载流子传递效率和载流子迁移率。

Description

一种环保高性能宽光谱太阳能电池材料
技术领域
本发明属于电池材料制备技术领域，具体涉及一种环保高性能宽光谱太阳能电池材料。
背景技术
短缺的能源已严重影响人们的生活和制约社会的发展。丰富的太阳能是重要的清洁能源，是取之不尽、用之不竭、无污染、廉价、人类能够自由利用的能源。第一次石油危机之后，各国竞相开展太阳能、水能、风能等清洁和可再生能源的应用研究，尤其是太阳能的应用研究最为广泛。
太阳能作为一种绿色能源对环境没有任何无污染性，而且它的来源简单，可以说是在人类的生存年限内其是取之不尽用之不竭的。太阳能不仅是一次性能源，还是清洁能源，它资源丰富、普遍存在、无需运输、还可免费使用、最重要的是对环境没有任何污染。太阳能电池也因太阳能的特殊性具有许多其他发电方式所不具备的优点：不受地域限制、不消耗燃料、规模可大可小、灵活性大、无污染、无噪音、安全可靠、建设周期短、维护简单、最具有大规模应用的可能性。所以很多专家把太阳能能源作为可替代的能源去开发，希望太阳能够造福于人类。现如今所使用的太阳能有很大一部分是由太阳电池转换得来的。因为太阳能电池对光有感应， 能够把照射在其表面的光能转换为电能。目前，在有关专家的努力下， 太阳能电池己经走向了商业化和产业化。
太阳能电池最核心的部分是由半导体构成的p-n结。太阳光照在半导体p-n结上，形成空穴-电子对，在p-n结内电场的作用下，空穴由p区流向n区，电子由n区流向p区，接通电路后就形成电流。由于半导体都有一定的带宽，太阳能电池只能将接近半导体带宽、能量为hv的光子有效地转化为电能。能量小于带宽的光子无法被电池吸收，而能量大于带宽的光子则只有一部分能量被电池利用，超出带宽的部分通过电子- 声子等相互作用转化为热能从而导致能量损失。太阳辐射光谱的99%以上在波长150-4000nm，其中大约50%的太阳光为可见光，其余的为紫外光或红外光。由于所使用的半导体材料差异，不同太阳能电池的外部量子效率明显不一样。但是对于固定的半导体材料，太阳能电池都只对特定波段的太阳光进行有效利用。目前即使是光谱响应范围较宽的单结硅基太阳能电池也只能利用可见光区的能量，因此如何有效利用太阳光中包括紫外和红外波段在内的宽光谱能量是目前太阳能电池研究中一个重要的课题。
发明内容
本发明提供一种环保高性能宽光谱太阳能电池材料，以解决现有太阳能电池材料只对特定波段的太阳光进行有效利用，而无法有效利用太阳光中包括紫外和红外波段在内的宽光谱能量，导致光电转换效率、载流子传递效率和载流子迁移率低等问题。本发明的环保高性能宽光谱太阳能电池材料具有良好的电子堆积性能，较高的载流子迁移率，在150-4000nm范围内均有吸收峰，能有效利用太阳光中包括紫外和红外波段在内的宽光谱能量，可有效提高太阳能电池的光电转换效率，具有广阔的应用前景。
为解决以上技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种环保高性能宽光谱太阳能电池材料，以重量为单位，包括以下原料：2-乙酰-β-甲基噻吩40-48份、2-氨基-5-巯基-1，3，4-噻二唑22-25份、三羟甲基丙烷5-8份、环氧硅烷类偶联剂1-2份、马来酸酐接枝相容剂1-2份、丙烯酸型架桥剂0.6-1.2份、铂催化剂0.1-0.2份、石墨15-24份、炭黑18-28份、碳化硅3-7份、氮化铝5-10份、氮化硅6-12份、三氧化二铝7-9份、二氧化硅4-8份、碱性白土3-6份、碳纤维4-7份、硼纤维3-5份、羧乙基纤维素5-9份、二碱式亚磷酸铅0.6-1.2份、丙烯酸酯类调节剂0.5-0.9份、环氧丙氧丙基三甲氧基硅烷2-4份、701粉0.8-1.6份、聚合氯化铝0.7-1.4份、乙丙橡胶1.2-1.6份、癸二酸双（2，2，6，6-四甲基-4-哌啶酯）3-10份、二盐基硬脂酸铅2-6份、2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮3-5份、聚磷酸铵2-4份；
所述环保高性能宽光谱太阳能电池材料的制备方法，包括以下步骤：
S1：将2-乙酰-β-甲基噻吩、2-氨基-5-巯基-1，3，4-噻二唑、三羟甲基丙烷、环氧硅烷类偶联剂、马来酸酐接枝相容剂、丙烯酸型架桥剂、铂催化剂混合均匀，在微波功率为200-300W，温度为240-280℃，转速为400-600r/min下搅拌2-4h，制得混合物A；
S2：将石墨、炭黑、碳化硅、氮化铝、氮化硅、三氧化二铝、二氧化硅、碱性白土、碳纤维、硼纤维、羧乙基纤维素、二碱式亚磷酸铅、丙烯酸酯类调节剂、环氧丙氧丙基三甲氧基硅烷、701粉、聚合氯化铝、乙丙橡胶混合，在微波功率为250-360W，温度为82-90℃，转速为500-700r/min下搅拌1-2h，制得混合物B；
S3：将步骤S2制得的混合物B加入到步骤S1制得的混合物A中，加入过程中，以90-120r/min的转速搅拌，控制加料速度为12-14g/min，加料结束后，以12-16℃/min的升温速率升温至720-750℃，搅拌速度提高至700-800r/min，并在微波功率为150-240W下搅拌1.5-2.5h，制得混合物C；
S4：向步骤S3制得的混合物C中加入癸二酸双（2，2，6，6-四甲基-4-哌啶酯）、二盐基硬脂酸铅、2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮、聚磷酸铵，在温度为216-285℃，转速为300-400r/min下搅拌1-1.5h，经冷却至室温，制得环保高性能宽光谱太阳能电池材料。
优选地，步骤S1中所述微波功率为250-300W，温度为260-280℃，转速为500-600r/min下搅拌2-3h。
更优选地，所述微波功率为300W，温度为280℃，转速为600r/min下搅拌2h。
优选地，步骤S2中所述微波功率为300-360W，温度为85-90℃，转速为600-700r/min下搅拌1-1.5h。
更优选地，所述微波功率为360W，温度为90℃，转速为700r/min下搅拌1h。
优选地，步骤S3中所述微波功率为200-240W下搅拌1.5-2h。
更优选地，所述微波功率为240W下搅拌1.5h。
优选地，步骤S4中所述温度为250-285℃，转速为350-400r/min下搅拌1-1.2h。
更优选地，所述温度为285℃，转速为400r/min下搅拌1h。
本发明具有以下有益效果：
（1）本发明的环保高性能宽光谱太阳能电池材料具有良好的电子堆积性能，较高的载流子迁移率，在150-4000nm范围内均有吸收峰，能有效利用太阳光中包括紫外和红外波段在内的宽光谱能量，可有效提高太阳能电池的光电转换效率，具有广阔的应用前景；
（2）本发明制得的环保高性能宽光谱太阳能电池材料环保、制备成本低。
具体实施方式
为便于更好地理解本发明，通过以下实施例加以说明，这些实施例属于本发明的保护范围，但不限制本发明的保护范围。
在实施例中，所述环保高性能宽光谱太阳能电池材料，以重量为单位，包括以下原料：2-乙酰-β-甲基噻吩40-48份、2-氨基-5-巯基-1，3，4-噻二唑22-25份、三羟甲基丙烷5-8份、环氧硅烷类偶联剂1-2份、马来酸酐接枝相容剂1-2份、丙烯酸型架桥剂0.6-1.2份、铂催化剂0.1-0.2份、石墨15-24份、炭黑18-28份、碳化硅3-7份、氮化铝5-10份、氮化硅6-12份、三氧化二铝7-9份、二氧化硅4-8份、碱性白土3-6份、碳纤维4-7份、硼纤维3-5份、羧乙基纤维素5-9份、二碱式亚磷酸铅0.6-1.2份、丙烯酸酯类调节剂0.5-0.9份、环氧丙氧丙基三甲氧基硅烷2-4份、701粉0.8-1.6份、聚合氯化铝0.7-1.4份、乙丙橡胶1.2-1.6份、癸二酸双（2，2，6，6-四甲基-4-哌啶酯）3-10份、二盐基硬脂酸铅2-6份、2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮3-5份、聚磷酸铵2-4份；
所述环保高性能宽光谱太阳能电池材料的制备方法，包括以下步骤：
S1：将2-乙酰-β-甲基噻吩、2-氨基-5-巯基-1，3，4-噻二唑、三羟甲基丙烷、环氧硅烷类偶联剂、马来酸酐接枝相容剂、丙烯酸型架桥剂、铂催化剂混合均匀，在微波功率为200-300W，温度为240-280℃，转速为400-600r/min下搅拌2-4h，制得混合物A；
S2：将石墨、炭黑、碳化硅、氮化铝、氮化硅、三氧化二铝、二氧化硅、碱性白土、碳纤维、硼纤维、羧乙基纤维素、二碱式亚磷酸铅、丙烯酸酯类调节剂、环氧丙氧丙基三甲氧基硅烷、701粉、聚合氯化铝、乙丙橡胶混合，在微波功率为250-360W，温度为82-90℃，转速为500-700r/min下搅拌1-2h，制得混合物B；
S3：将步骤S2制得的混合物B加入到步骤S1制得的混合物A中，加入过程中，以90-120r/min的转速搅拌，控制加料速度为12-14g/min，加料结束后，以12-16℃/min的升温速率升温至720-750℃，搅拌速度提高至700-800r/min，并在微波功率为150-240W下搅拌1.5-2.5h，制得混合物C；
S4：向步骤S3制得的混合物C中加入癸二酸双（2，2，6，6-四甲基-4-哌啶酯）、二盐基硬脂酸铅、2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮、聚磷酸铵，在温度为216-285℃，转速为300-400r/min下搅拌1-1.5h，经冷却至室温，制得环保高性能宽光谱太阳能电池材料。
实施例1
一种环保高性能宽光谱太阳能电池材料，以重量为单位，包括以下原料：2-乙酰-β-甲基噻吩44份、2-氨基-5-巯基-1，3，4-噻二唑24份、三羟甲基丙烷7份、环氧硅烷类偶联剂1.5份、马来酸酐接枝相容剂1.5份、丙烯酸型架桥剂0.9份、铂催化剂0.1份、石墨20份、炭黑24份、碳化硅5份、氮化铝8份、氮化硅9份、三氧化二铝8份、二氧化硅6份、碱性白土5份、碳纤维6份、硼纤维4份、羧乙基纤维素7份、二碱式亚磷酸铅0.9份、丙烯酸酯类调节剂0.7份、环氧丙氧丙基三甲氧基硅烷3份、701粉1.2份、聚合氯化铝1份、乙丙橡胶1.4份、癸二酸双（2，2，6，6-四甲基-4-哌啶酯）7份、二盐基硬脂酸铅4份、2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮4份、聚磷酸铵3份；
所述环保高性能宽光谱太阳能电池材料的制备方法，包括以下步骤：
S1：将2-乙酰-β-甲基噻吩、2-氨基-5-巯基-1，3，4-噻二唑、三羟甲基丙烷、环氧硅烷类偶联剂、马来酸酐接枝相容剂、丙烯酸型架桥剂、铂催化剂混合均匀，在微波功率为250W，温度为260℃，转速为500r/min下搅拌3h，制得混合物A；
S2：将石墨、炭黑、碳化硅、氮化铝、氮化硅、三氧化二铝、二氧化硅、碱性白土、碳纤维、硼纤维、羧乙基纤维素、二碱式亚磷酸铅、丙烯酸酯类调节剂、环氧丙氧丙基三甲氧基硅烷、701粉、聚合氯化铝、乙丙橡胶混合，在微波功率为300W，温度为85℃，转速为600r/min下搅拌1.5h，制得混合物B；
S3：将步骤S2制得的混合物B加入到步骤S1制得的混合物A中，加入过程中，以100r/min的转速搅拌，控制加料速度为13g/min，加料结束后，以14℃/min的升温速率升温至740℃，搅拌速度提高至750r/min，并在微波功率为200W下搅拌2h，制得混合物C；
S4：向步骤S3制得的混合物C中加入癸二酸双（2，2，6，6-四甲基-4-哌啶酯）、二盐基硬脂酸铅、2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮、聚磷酸铵，在温度为250℃，转速为350r/min下搅拌1.2h，经冷却至室温，制得环保高性能宽光谱太阳能电池材料。
实施例2
一种环保高性能宽光谱太阳能电池材料，以重量为单位，包括以下原料：2-乙酰-β-甲基噻吩40份、2-氨基-5-巯基-1，3，4-噻二唑22份、三羟甲基丙烷5份、环氧硅烷类偶联剂1份、马来酸酐接枝相容剂1份、丙烯酸型架桥剂0.6份、铂催化剂0.1份、石墨15份、炭黑18份、碳化硅3份、氮化铝5份、氮化硅6份、三氧化二铝7份、二氧化硅4份、碱性白土3份、碳纤维4份、硼纤维3份、羧乙基纤维素5份、二碱式亚磷酸铅0.6份、丙烯酸酯类调节剂0.5份、环氧丙氧丙基三甲氧基硅烷2份、701粉0.8份、聚合氯化铝0.7份、乙丙橡胶1.2份、癸二酸双（2，2，6，6-四甲基-4-哌啶酯）3份、二盐基硬脂酸铅2份、2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮3份、聚磷酸铵2份；
所述环保高性能宽光谱太阳能电池材料的制备方法，包括以下步骤：
S1：将2-乙酰-β-甲基噻吩、2-氨基-5-巯基-1，3，4-噻二唑、三羟甲基丙烷、环氧硅烷类偶联剂、马来酸酐接枝相容剂、丙烯酸型架桥剂、铂催化剂混合均匀，在微波功率为200W，温度为240℃，转速为400r/min下搅拌4h，制得混合物A；
S2：将石墨、炭黑、碳化硅、氮化铝、氮化硅、三氧化二铝、二氧化硅、碱性白土、碳纤维、硼纤维、羧乙基纤维素、二碱式亚磷酸铅、丙烯酸酯类调节剂、环氧丙氧丙基三甲氧基硅烷、701粉、聚合氯化铝、乙丙橡胶混合，在微波功率为250W，温度为82℃，转速为500r/min下搅拌2h，制得混合物B；
S3：将步骤S2制得的混合物B加入到步骤S1制得的混合物A中，加入过程中，以90r/min的转速搅拌，控制加料速度为12g/min，加料结束后，以12℃/min的升温速率升温至720℃，搅拌速度提高至700r/min，并在微波功率为150W下搅拌2.5h，制得混合物C；
S4：向步骤S3制得的混合物C中加入癸二酸双（2，2，6，6-四甲基-4-哌啶酯）、二盐基硬脂酸铅、2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮、聚磷酸铵，在温度为216℃，转速为300r/min下搅拌1.5h，经冷却至室温，制得环保高性能宽光谱太阳能电池材料。
实施例3
一种环保高性能宽光谱太阳能电池材料，以重量为单位，包括以下原料：2-乙酰-β-甲基噻吩48份、2-氨基-5-巯基-1，3，4-噻二唑25份、三羟甲基丙烷8份、环氧硅烷类偶联剂2份、马来酸酐接枝相容剂2份、丙烯酸型架桥剂1.2份、铂催化剂0.2份、石墨24份、炭黑28份、碳化硅7份、氮化铝10份、氮化硅12份、三氧化二铝9份、二氧化硅8份、碱性白土6份、碳纤维7份、硼纤维5份、羧乙基纤维素9份、二碱式亚磷酸铅1.2份、丙烯酸酯类调节剂0.9份、环氧丙氧丙基三甲氧基硅烷4份、701粉1.6份、聚合氯化铝1.4份、乙丙橡胶1.6份、癸二酸双（2，2，6，6-四甲基-4-哌啶酯）10份、二盐基硬脂酸铅6份、2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮5份、聚磷酸铵4份；
所述环保高性能宽光谱太阳能电池材料的制备方法，包括以下步骤：
S1：将2-乙酰-β-甲基噻吩、2-氨基-5-巯基-1，3，4-噻二唑、三羟甲基丙烷、环氧硅烷类偶联剂、马来酸酐接枝相容剂、丙烯酸型架桥剂、铂催化剂混合均匀，在微波功率为300W，温度为280℃，转速为600r/min下搅拌2h，制得混合物A；
S2：将石墨、炭黑、碳化硅、氮化铝、氮化硅、三氧化二铝、二氧化硅、碱性白土、碳纤维、硼纤维、羧乙基纤维素、二碱式亚磷酸铅、丙烯酸酯类调节剂、环氧丙氧丙基三甲氧基硅烷、701粉、聚合氯化铝、乙丙橡胶混合，在微波功率为360W，温度为90℃，转速为700r/min下搅拌1h，制得混合物B；
S3：将步骤S2制得的混合物B加入到步骤S1制得的混合物A中，加入过程中，以120r/min的转速搅拌，控制加料速度为14g/min，加料结束后，以16℃/min的升温速率升温至750℃，搅拌速度提高至800r/min，并在微波功率为240W下搅拌1.5h，制得混合物C；
S4：向步骤S3制得的混合物C中加入癸二酸双（2，2，6，6-四甲基-4-哌啶酯）、二盐基硬脂酸铅、2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮、聚磷酸铵，在温度为285℃，转速为400r/min下搅拌1h，经冷却至室温，制得环保高性能宽光谱太阳能电池材料。
将实施例1-3制得到的环保高性能宽光谱太阳能电池材料应用到有机光伏太阳能电池上，考察其器件光电转换效率、载流子传递效率和载流子迁移率，结果如下表所示。
由上表可知，本发明的环保高性能宽光谱太阳能电池材料具有良好的电子堆积性能，较高的载流子迁移率，可有效提高太阳能电池的光电转换效率，具有广阔的应用前景。
以上内容不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的专利保护范围。

Claims (9)

1.一种环保高性能宽光谱太阳能电池材料，其特征在于，以重量为单位，包括以下原料：2-乙酰-β-甲基噻吩40-48份、2-氨基-5-巯基-1，3，4-噻二唑22-25份、三羟甲基丙烷5-8份、环氧硅烷类偶联剂1-2份、马来酸酐接枝相容剂1-2份、丙烯酸型架桥剂0.6-1.2份、铂催化剂0.1-0.2份、石墨15-24份、炭黑18-28份、碳化硅3-7份、氮化铝5-10份、氮化硅6-12份、三氧化二铝7-9份、二氧化硅4-8份、碱性白土3-6份、碳纤维4-7份、硼纤维3-5份、羧乙基纤维素5-9份、二碱式亚磷酸铅0.6-1.2份、丙烯酸酯类调节剂0.5-0.9份、环氧丙氧丙基三甲氧基硅烷2-4份、701粉0.8-1.6份、聚合氯化铝0.7-1.4份、乙丙橡胶1.2-1.6份、癸二酸双（2，2，6，6-四甲基-4-哌啶酯）3-10份、二盐基硬脂酸铅2-6份、2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮3-5份、聚磷酸铵2-4份；
所述环保高性能宽光谱太阳能电池材料的制备方法，包括以下步骤：
S1：将2-乙酰-β-甲基噻吩、2-氨基-5-巯基-1，3，4-噻二唑、三羟甲基丙烷、环氧硅烷类偶联剂、马来酸酐接枝相容剂、丙烯酸型架桥剂、铂催化剂混合均匀，在微波功率为200-300W，温度为240-280℃，转速为400-600r/min下搅拌2-4h，制得混合物A；
S2：将石墨、炭黑、碳化硅、氮化铝、氮化硅、三氧化二铝、二氧化硅、碱性白土、碳纤维、硼纤维、羧乙基纤维素、二碱式亚磷酸铅、丙烯酸酯类调节剂、环氧丙氧丙基三甲氧基硅烷、701粉、聚合氯化铝、乙丙橡胶混合，在微波功率为250-360W，温度为82-90℃，转速为500-700r/min下搅拌1-2h，制得混合物B；
S3：将步骤S2制得的混合物B加入到步骤S1制得的混合物A中，加入过程中，以90-120r/min的转速搅拌，控制加料速度为12-14g/min，加料结束后，以12-16℃/min的升温速率升温至720-750℃，搅拌速度提高至700-800r/min，并在微波功率为150-240W下搅拌1.5-2.5h，制得混合物C；
S4：向步骤S3制得的混合物C中加入癸二酸双（2，2，6，6-四甲基-4-哌啶酯）、二盐基硬脂酸铅、2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮、聚磷酸铵，在温度为216-285℃，转速为300-400r/min下搅拌1-1.5h，经冷却至室温，制得环保高性能宽光谱太阳能电池材料。
2.根据权利要求1所述的环保高性能宽光谱太阳能电池材料，其特征在于，步骤S1中所述微波功率为250-300W，温度为260-280℃，转速为500-600r/min下搅拌2-3h。
3.根据权利要求2所述的环保高性能宽光谱太阳能电池材料，其特征在于，所述微波功率为300W，温度为280℃，转速为600r/min下搅拌2h。
4.根据权利要求1所述的环保高性能宽光谱太阳能电池材料，其特征在于，步骤S2中所述微波功率为300-360W，温度为85-90℃，转速为600-700r/min下搅拌1-1.5h。
5.根据权利要求4所述的环保高性能宽光谱太阳能电池材料，其特征在于，所述微波功率为360W，温度为90℃，转速为700r/min下搅拌1h。
6.根据权利要求1所述的环保高性能宽光谱太阳能电池材料，其特征在于，步骤S3中所述微波功率为200-240W下搅拌1.5-2h。
7.根据权利要求6所述的环保高性能宽光谱太阳能电池材料，其特征在于，所述微波功率为240W下搅拌1.5h。
8.根据权利要求1所述的环保高性能宽光谱太阳能电池材料，其特征在于，步骤S4中所述温度为250-285℃，转速为350-400r/min下搅拌1-1.2h。
9.根据权利要求8所述的环保高性能宽光谱太阳能电池材料，其特征在于，所述温度为285℃，转速为400r/min下搅拌1h。
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