CN110277464A - 量子点复合材料在光伏电池中的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光伏电池领域，具体涉及量子点复合材料在光伏电池中的应用，所述量子点复合材料为量子点@高分子材料或量子点@无机材料；所述量子点为碳点、石墨烯量子点、硅量子点中的一种或几种，以任意比例混合。本发明利用吸收紫外线后能发射可见光、甚至红外光的量子点与有机高分子材料或无机材料复合形成一种提高光伏发电效率的复合材料，应用于光伏电池中，可有效的提高光伏发电效率。
Description
技术领域
本发明涉及光伏电池领域，具体涉及量子点复合材料在光伏电池中的应用。
背景技术
光伏技术是可再生的清洁能源，光电转换效率仍然是制约光伏发电的主要原因。现有的单晶硅、多晶硅、非晶硅以及CdTe、铜铟镓硒(CIGS)和钙钛矿光伏发电，均对可见光及红外光的光谱响应具有较高的效率，但基本对紫外线(UV)响应较弱。而太阳光中的UV虽然所占比例小，但能量却很高，但现有的光伏技术和设备中未能充分利用UV能量。
发明内容
本发明目的，在于提供量子点复合材料(具体是量子点@高分子材料、量子点@无机材料)的一种新用途，以提高光伏电池的发电效率。
根据本发明的一个方面，本发明提供了一种量子点复合材料在光伏电池中的应用。
其中，量子点复合材料为量子点@高分子材料或量子点@无机材料，量子点为碳点、石墨烯量子点、硅量子点中的一种或几种，以任意比例混合。
在一些实施例中，高分子材料可以包括乙烯-乙酸乙烯酯共聚物(EVA)、聚乙烯醇(PVA)、聚乙烯醇缩丁醛(PVB)、聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)、尼龙(PA)、聚氟乙烯中的一种；无机材料为氧化锌(ZnO)；光伏电池包括硅晶电池、非晶硅电池、钙钛矿电池、薄膜电池。由此，可以根据具体实际情况，在所应用的光伏电池中，选择合适的组分作为量子点的基质材料。
在一些实施例中，量子点@高分子材料以任何形式，置于硅晶电池组件的任一层。由此，利用量子点在紫外光区的强吸收、发射可见光或红外形的特性，以提高光伏电池的发电效率。
在一些实施例中，量子点@高分子材料以任何形式，置于非晶硅电池组件的任一层。
在一些实施例中，量子点@高分子材料以任何形式，置于钙钛矿电池组件的任一层，和/或量子点@无机材料以量子点@氧化锌形式，替换钙钛矿电池组件的氧化锌层。
在一些实施例中，量子点@高分子材料以任何形式，置于薄膜电池组件的任一层，和/或量子点@无机材料以量子点@氧化锌形式，替换薄膜电池组件的氧化锌层。
通过将碳量子点、石墨烯量子点以及硅量子点复合材料应用于光伏电池，可实现其在紫外光区的强吸收、发射可见光或红外光。且由于量子点粒径较小，对可见光以及红外光的透光率几无影响，将其用在光伏电池中，可显著增加光电转换效率更高的可见光或红外光，从而提高光伏电池的发电效率。
本发明以光伏电池中原有的高分子材料、无机材料作为量子点的基质材料，使量子点复合材料可以直接置于电池组件任意一层，或替代光伏电子组件原有的封装材料，兼容了现有工艺，也提升了光伏电池的捕光性能，对提高光伏电池光电转换效率具有重要意义。
此外，量子点复合材料具有很好的光稳定性，对可见光透光率几乎无影响，具有较宽的吸收光谱，不仅可以吸收电池光谱响应较差的蓝紫光，而发射出电池响应较好的红光，使光伏电池具有更广范围的捕光性能。
附图说明
图1为本发明一实施方式的CQDs量子点的激发和发射光谱图；
图2为本发明一实施方式的GQDs量子点的激发和发射光谱图；
图3为本发明一实施方式的SiQDs量子点的激发和发射光谱图；
图4为CQDs复合材料应用于硅晶电池时的结构示意图；
图5为CQDs复合材料应用于非晶硅电池时的结构示意图；
图6为CQDs复合材料应用于钙钛矿电池时的结构示意图；
图7为CQDs复合材料应用于薄膜电池时的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。
1、油性CQDs@高分子材料的制备
取油性CQDs5ml，与100gEVA充分搅拌混匀，于70℃条件下加热约30min，即得到具有吸收uv后发射可见光的油性CQDs@EVA复合材料。
油性CQDs@PVA制备方法如制备油性CQDs@EVA复合材料方法，不同之处在于，搅拌混匀后于55℃条件下加热约30min。
油性CQDs@PVB制备方法如制备油性CQDs@EVA复合材料方法，不同之处在于，搅拌混匀后于100℃条件下加热约30min。
油性CQDs@PE制备方法如制备油性CQDs@EVA复合材料方法，不同之处在于，搅拌混匀后于150℃条件下加热约20min。
油性CQDs@PVC制备方法如制备油性CQDs@EVA复合材料方法，不同之处在于，搅拌混匀后于185℃条件下加热约25min。
油性CQDs@PA制备方法如制备油性CQDs@EVA复合材料方法，不同之处在于，搅拌混匀后于180℃条件下加热约25min。
油性CQDs@聚氟乙烯制备方法如制备油性CQDs@EVA复合材料方法，不同之处在于，搅拌混匀后于195℃条件下加热约20min。
在其他实施例中，油性CQDs也可以是油性GQDs，或油性SiQDs，或CQDs、GQDs、SiQDs以任意比例混合的油性混合物。
2、水性CQDs@高分子材料的制备
取2ml水性CQDs，加入到10ml乙酸乙烯(VA)溶液中，再加入2ml乙醇进行搅拌至1h，然后与200gEVA搅拌混匀，在于85℃条件下热处理20min，即得水性CQDs@EVA。
取5g PVA，加入到50ml水中，加热至60℃至完全溶解，然后加入1ml水性CQDs，再搅拌2h，即得水性CQDs@PVA乳液，备用；将水性CQDs@PVA乳液以涂覆、加热干燥的方式应用到光伏电池组件中。
取1ml水性CQDs，加入到10ml异丙醇中，再加入2g聚乙烯醇缩丁醛(PVB)，加热至35℃，直至PVB充分溶解，继续搅拌1.5h，然后于80℃条件下干燥，即得到固体的水性CQDs@PVB。
在其他实施例中，油性CQDs也可以是油性GQDs，或油性SiQDs，或CQDs、GQDs、SiQDs以任意比例混合的水性混合物。
3、CQDs@ZnO的制备
取1.5g乙酸锌，加入到30ml水中，搅拌30min至完全溶解，然后加入氢氧化钠溶液，调节为碱性，其中pH值约为12，将碱性乙酸锌水溶液转移至40ml的聚四氟乙烯为衬底的高压反应釜中，于165℃条件下反应20h，再进行洗涤干燥，即得CQDs@ZnO。
4、CQDs复合材料在硅晶电池中的应用
如图4所示，硅晶电池可以依次由衬底、CQDs@EVA、晶硅板电池片、CQDs@EVA、玻璃组成，通过层压工艺制成硅晶电池，其中，衬底可采用聚氟乙烯，实验表明，当CQDs@EVA贴近玻璃层时，在UV单色光照射下，电流提高约15％。
其中，CQDs可以为GQDs或SiQDs或CQDs、GQDs、SiQDs以任意比例混合而成的混合物中的一种所替换，EVA可以为PVA、PVB、PE、PVC、PA、聚氟乙烯中的一种所替换。
5、CQDs复合材料在非晶硅电池中的应用
如图5所示，非晶硅电池可以依次由铝板、非晶硅(a-Si)、CQDs@EVA、TCO透明导电层、玻璃组成，玻璃层与太阳光照接触，CQDs可以替换为GQDs或SiQDs或CQDs、GQDs、SiQDs三者以任意比例组成的混合物中的一种，EVA可替换为PVB、PE、PVC、PA、聚氟乙烯中的一种。
此外，量子点@高分子复合材料制备的复合膜还可以任何形式，沉积于电池组件的任一层，如以CQDs@PVA或GQDs@EVA形式沉积于玻璃层与TCO透明导电层之间。
6、CQDs复合材料在钙钛矿电池中的应用
如图6所示，钙钛矿电池由下至上依次可以为玻璃衬底、ITO玻璃层、CQDs@ZnO电子传输层、钙钛矿电池层、TAD空穴传输层以及Ag金属电极层，其中，太阳光直射Ag金属电极层，以CQDs与ZnO复合之后的复合材料CQDs@ZnO替代现有技术中的单组份ZnO；其中，量子点CQDs还可以为GQDs或SiQDs或CQDs、GQDs、SiQDs以任意比例制得的混合物中的一种所替换。
在其他实施例中，CQDs@高分子复合材料制备的复合膜还可以以任何形式，旋涂沉积于钙钛矿电池组件的任一层，其中，高分子还可以为PVB、PE、PVC、PA、聚氟乙烯中的一种。
7、CQDs复合材料在薄膜电池中的应用
如图7所示，薄膜电池由上电极Al：ZnO、CQDs@ZnO窗口层、吸收层CIGS或CdTe、背电极层MO以及玻璃基板组成的多层膜结构，上电极直接接触太阳光照，其中，还可以以GQDs@ZnO或SiQDs@ZnO复合材料替代之前的单组份ZnO窗口层，成为电池组件一部分。
在其他实施例中，CQDs@高分子材料还可以以任何形式，沉积于电池组件的任一层；其中，量子点也可以为CQDs、GQDs、SiQDs中的一种或几种以任意比例混合，高分子可以为EVA、PVA、PVB、PE、PVC、PA、聚氟乙烯中的一种。
在本实施例中，所采用的CQDs、GQDs、SiQDs激发波长和发射波长如图1-3所示。图中显示出，CQDs激发光波长在300-400nm波长范围内吸收峰高，吸收主峰为360nm，荧光发射光波长范围集中在400-550nm，发射主峰为450nm；GQDs激发光波长在300-440nm波长范围内吸收峰高，吸收主峰为360nm，荧光发射光波长范围集中在400-550nm，发射主峰为475nm；SiQDs激发光波长在300-440nm波长范围内吸收峰高，吸收主峰为390nm，荧光发射光波长范围集中在400-550nm，发射主峰为450nm。因此，CQDs、GQDs、SiQDs中的一种或几种以任意比例混合以复合材料应用于光伏电池中，对紫外线的吸收范围变宽，转化的可见光能量更高，从而提高光伏电池的发电效率。
在其他实施例中，吸收光谱及发射光谱的范围和主峰是可调节的，可以根据实际情况和需求结合公知尝试进行调节，这些应当都在本发明保护范围之内。
本发明利用吸收紫外线后能发射可见光、甚至红外光的量子点与有机高分子材料或无机材料复合形成一种提高光伏发电效率的复合材料，应用于光伏电池中，可有效的提高光伏发电效率。
以上的仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.量子点复合材料在光伏电池中的应用；
所述量子点复合材料为量子点@高分子材料或量子点@无机材料；
所述量子点为碳点、石墨烯量子点、硅量子点中的一种或几种，以任意比例混合。
2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述高分子材料包括乙烯-乙酸乙烯酯共聚物、聚乙烯醇、聚乙烯醇缩丁醛、聚乙烯、聚氯乙烯、尼龙、聚氟乙烯中的一种；所述无机材料为氧化锌。
3.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述光伏电池包括硅晶电池、非晶硅电池、钙钛矿电池、薄膜电池。
4.根据权利要求1-3任一项所述的应用，其特征在于，所述量子点@高分子材料以任何形式，置于硅晶电池组件的任一层。
5.根据权利要求1-3任一项所述的应用，其特征在于，所述量子点@高分子材料以任何形式，置于非晶硅电池组件的任一层。
6.根据权利要求1-3任一项所述的应用，其特征在于，所述量子点@高分子材料以任何形式，置于钙钛矿电池组件的任一层；
和/或所述量子点@无机材料以量子点@氧化锌形式，替换钙钛矿电池组件的氧化锌层。
7.根据权利要求1-3任一项所述的应用，其特征在于，所述量子点@高分子材料以任何形式，置于薄膜电池组件的任一层；
和/或所述量子点@无机材料以量子点@氧化锌形式，替换薄膜电池组件的氧化锌层。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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