一种量子剪裁提高硅薄膜太阳能电池效率的新方法

摘要

本发明公开了一种量子剪裁提高硅薄膜太阳能电池效率的新方法，采用含有上、下转换材料的功能纳米SiO

说明书

技术领域

本发明属于太阳能电池技术领域，涉及一种量子剪裁提高硅薄膜太阳能电池效率的新方 法。

背景技术

随着社会经济的发展，在人们的日常生活和工作中对能源的需求越来越大。传统的石化 能源随着使用而逐渐减少，同时全球还有很多地区得不到正常的能源供应，并且常规能源的 使用很容易破坏地球上的生态环境。所有这些促使科研人员对新能源的研究越来越重视。目 前可供人们开发和利用的可再生能源有太阳能、风能、潮汐能、氢能、地热能等。太阳能拥 有取之不尽、用之不竭、无污染以及廉价的特性，因而成为人们重视的焦点。由于太阳能具 备上面的一些优点，使得太阳能具有巨大的研究和利用价值。

在太阳能量开发进程中，光伏技术因其具有清洁安全且无噪声，可靠性高，应用范围广， 结构简单，容易维护，逐步是成为最具活力的研究领域。但是，由于包括硅薄膜太阳能电池 的光伏技术太阳能利用过程中存在多种形式的能量损失，导致了太阳能电池的转换效率一直 不是很高：一、光学反射和透射损失。不是所有照射到光伏电池表面处的光子都能被太阳能 电池吸收，其中有一部分在电池表面被再次反射到空气中，还有一部分穿透过光伏电池。二、 低能量光子的能量浪费。低于光伏电池用材料的禁带宽度能量的光子不足以激发价带电子跃 迁至导带，这使得波长大于半导体本征吸收限的长波光子对光电转换没有贡献，进而造成大 量的光能损失。三、高能量光子的能量损失。由于晶体结构的原因，使得高能光子并不能激 发与其能量相应比例的电子—空穴对数目。它们在激发产生一对电子—空穴对之后，多余的 能量大多以声子散射的形式转化成为了热能，造成能量损失。如何减少高能量光子的能量损 失是本论文的主要研究内容。四、光生电子—空穴对的复合导致的能量损失。光子激发形成 的电子一空穴对在未受到或者受到pn结内建电场推动下贡献于光电流之前，存在一定几率 发生电子—空穴的复合，进而导致了光能利用率的降低。

2005年，Richards，B.S.计算了对于单结太阳能电池的两大主要能量损失：在AMl. 5条件下，能量低于电池材料禁带宽度的光子损失大约为164瓦每平方米；而晶格热震动产 生的能量损失为149瓦每平方米。2006年，T.Trupke等人再次分析了在真实的空间环境下 上转换材料的光辐射复合的效率，给出了上转换系统的光谱特性。在AMl.5G条件下，对 于双面硅太阳能电池，将上转换材料放置在电池的背面，测得电池的转换效率为40.2％， 性能优于串联太阳能电池叫。2007年，Badescu，V.详细讨论了T.Trupke等人的上、下 转换理论。文章中考虑了三种影响电池效率的因素：电池和光子转换材料的非辐射复合特性、 折射率和太阳光的入射强度。得到了如下的主要结论：转换材料后置的电池系统的转换效率 能够高于转换材料前置的太阳能电池系统。现有技术方案直接添加上下转换材料，不利于吸 收形成质量较好的膜层。

发明内容

为了克服现有技术中存在的缺陷，本发明提供一种量子剪裁提高硅薄膜太阳能电池效率 的新方法，采用含有上、下转换材料的功能纳米SiO₂薄膜增加Si薄膜太阳能电池对光的吸 收，首先制备含有上下转换材料的SiO₂溶胶，然后采用旋涂或提拉法制备SiO₂颗粒可控的 薄膜，该膜层不仅含有上、下转换材料还能够保护Si膜以及Ag或Al金属膜不受影响。其 技术方案如下：

一种量子剪裁提高硅薄膜太阳能电池效率的新方法，包括以下步骤：

（1）将稀土氧化物配置出2mol/L的Y(NO₃)₃、Yb(NO₃)₃、Er(NO₃)₃稀土盐溶液；

（2）将1.5gCTAB，8mL正庚烷和1000μL正己醇滴入锥形瓶，室温电磁搅拌20分 钟左右，随后加入500μL含Ln³⁺的溶液，溶液体积比控制为Y³⁺:Yb³⁺:Er³⁺=78：20：2；

（3）加入550μL的NaF和6μL的HF，搅拌30分钟左右，将PH值调节为1.5-3的酸性溶 液；

（4）静置20分钟后将溶液移入50mL的不锈钢反应釜中，将其放入烘箱中，温度控 制在150℃左右，持续加热5-8小时，然后在烘箱中自然冷却；

（5）静止12小时左右后，将反应后的溶液转入烧杯加10mL丙酮并震荡；

（6）将合成的α-NaYF₄:Yb，Er纳米粒子分离，再溶解到反相胶束当中，滴入二氧化 硅前驱体TEOS，调节PH值至弱酸性，电磁搅拌，陈化后得到α-NaYF₄:Yb,Er@SiO₂异质 包覆核壳纳米结构；

（7）下转换材料制备完成后将材料加入到含有上转换材料的SiO₂溶胶中；

（8）采用旋涂法或提拉法制备含有上、下转换材料的SiO₂薄膜。

进一步优选，步骤（8）所述的含有上、下转换材料的SiO2薄膜的结构自上而下依次为 减反层、透明电极、太阳能主体结构、含有量子裁剪上、下转换材料的SiO2薄膜、背电极、 玻璃基底。

本发明的有益效果：本发明采用化学法制备SiO₂包覆的上、下转换材料的纳米薄膜，该 发明首先能够利用上、下转换材料对太阳光的转换作用：将红外光聚集成为可见光，将紫外 光降低为可见光和红外光，该部分红外光又通过量子剪裁上转换形成可见光，大大提高了Si 薄膜太阳能对光的利用效率，将太阳光中不能被太阳能电池吸收的长波长红外光和短波长紫 外光进行量子剪裁转换为可利用的可见光，既提高了太阳能电池的转换效率，同时也避免了 因电池温度升高而导致太阳能电池转换效率下降和电池性能衰退。

其次发明还可以利用SiO₂薄膜包覆颗粒对可见光的散射作用，增加入射可见光在Si 薄膜内通过的路径长度，从而使更多的入射可见光被Si膜吸收。最后该方法具有成本低， 设备和原料易得，制备过程简单，常温下进行，反应过程环保无污染，对环境友好等优点。 经过一系列的测试分析发现：该层含有上、下转换材料的功能纳米SiO₂薄膜增加了Si薄 膜对入射光的吸收，具有非常好的实用前景。

附图说明

图1为本发明SiO₂包裹上转换材料示意图；

图2为本发明SiO₂包裹上转换材料的微观图；

图3为本发明SiO₂包裹下转换材料的微观图；

图4是有上下转换材料的SiO₂薄膜的结构示意图。

图5为本发明具有上转换材料NaYF₄:Yb,ErSiO₂薄膜和无上转换材料时SiO₂薄膜的光 谱图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细地说明。

在硅薄膜太阳电池中，由于硅薄膜的膜层厚度较小，对入射可见光的吸收很弱，严重地 限制了电池的光电转换效率。通过增加硅薄膜对400～760nm波段内的入射光的有效吸收是 一个非常吸引人的有效途径。

对于这个问题，本发明的解决思路是：采用化学法制备含有上转换材料NaYF₄:Yb,Er⁺和 含有下转换材料NaYF4:Tb³⁺，Yb³⁺的二氧化硅溶胶，然后采用旋涂或提拉法制备成含有纳米 NaYF₄:Yb，Er⁺和NaYF4:Tb³⁺，Yb³⁺颗粒的SiO₂薄膜，该新工艺不仅增加入射光在Si薄膜内 的反射次数，增加其有效光程，使更多的入射可见光被Si薄膜吸收，更能够使太阳光光更多 地转化为有用光使硅薄膜吸收。

本发明首先在衬底上制备Ag或Al薄膜，然后将上、下转换材料旋涂或提拉法涂Ag或Al 薄膜，然后在氮气等惰性气体的保护下中快速退火，能节省时间，退火温度100-280℃，上、 下转换微器件是由稀土离→子掺杂的上、下转换发光材料的纳颗粒构成，颗粒大小为200-500 纳米左右，上、下转换发光材料的纳米颗粒则被SiO₂包覆。最后可采用VHF-PECVD、 PECVD、HWCVD、HPD-RF-PECVD等方法制备相应的硅薄膜太阳能电池。

一种量子剪裁提高硅薄膜太阳能电池效率的新方法，包括以下步骤：

（1）将稀土氧化物配置出2mol/L的Y(NO₃)₃、Yb(NO₃)₃、Er(NO₃)₃稀土盐溶液；

（2）将1.5gCTAB，8mL正庚烷和1000μL正己醇滴入锥形瓶，室温电磁搅拌20分 钟左右，随后加入500μL含Ln³⁺的溶液，溶液体积比控制为Y³⁺:Yb³⁺:Er³⁺=78：20：2；

（3）加入550μL的NaF和6μL的HF，搅拌30分钟左右，将PH值调节为1.5-3的酸性溶 液；

（4）静置20分钟后将溶液移入50mL的不锈钢反应釜中，将其放入烘箱中，温度控 制在150℃左右，持续加热5-8小时，然后在烘箱中自然冷却；

（5）静止12小时左右后，将反应后的溶液转入烧杯加10mL丙酮并震荡；

（6）将合成的α-NaYF₄:Yb，Er纳米粒子分离，再溶解到反相胶束当中，滴入二氧化 硅前驱体TEOS，调节PH值至弱酸性，电磁搅拌，陈化后得到α-NaYF₄:Yb,Er@SiO₂异质 包覆核壳纳米结构；

（7）下转换材料制备完成后将材料加入到含有上转换材料的SiO₂溶胶中，其结构如图1 所示，上、下转换材料在内核，SiO₂包裹在外层，微观图如图2和图3所示，溶胶颗粒约为 50-100nm；

（8）采用旋涂法或提拉法制备含有上、下转换材料的SiO₂薄膜。如图4所示，步骤（8） 所述的含有上、下转换材料的SiO₂薄膜的结构在图中第4部分所示，具体结构自上而下依次 为减反层1、透明电极2、太阳能主体结构3、含有量子裁剪上、下转换材料的SiO2薄膜4、背 电极5、玻璃基底6。通过实验，本发明的参数已经优化，能够取得较好的转换效果。如图5 所示，虚线部分为太阳光谱，实线部分为通过含有量子裁剪上、下转换材料SiO₂薄膜后的光 谱，有效地实现了光的转换，有利于太阳能电池对光谱的吸收。