上转换发光材料在染料敏化太阳电池上的应用

摘要

本发明公开了一种上转换发光材料在染料敏化太阳电池上的应用，是将具有红外光转化为可见光功能的纳米稀土金属卤化物材料、稀土金属氧化物材料或稀土金属硫化物材料覆盖于染料敏化太阳电池受光表面或掺入染料敏化太阳电池电解质中。本发明利用上转换发光材料将染料敏化太阳电池中无法利用的红外光转换成电池可以吸收的可见光，既解决了红外光发热造成的染料敏化太阳电池不稳定，又可以通过近红外光谱发射可见光，使电池更大程度地利用太阳光，提高电池的光电转化效率和稳定性。

说明书

技术领域

本发明涉及染料敏化太阳电池应用领域，具体是下转换发光材料在染料敏化太阳电池上的应用。

背景技术

染料敏化太阳电池是一种新型薄膜电池，这种电池具有潜在的高效低成本，性能相对稳定等优点。染料敏化太阳电池主要利用光敏染料高效采集光的性能和设计灵活性特点，结合纳晶半导体薄膜的多孔性、高比表面积和半导体材料的快速电荷转移与分离优势对太阳光进行光电转换。

在染料敏化太阳电池中目前应用较好的染料敏化剂是Ru的联吡啶类配合物，这种染料有较宽的可见光谱吸收范围，其中400nm～600nm可见光范围的单色光量子效率超过80％。然而在太阳辐射的光谱中，99％的能量集中在大约276nm-4960nm之间，其中50％左右的能量在红外区域。数十年来提高染料敏化太阳电池光电转化效率的研究主要是材料与器件的性能优化。但由于染料敏化剂的光谱响应范围有限，制约了染料敏化太阳电池的光电转化效率。因此，今后进一步提高电池的光电转换效率将主要依靠对输入太阳光谱中红外光部分进行调制。

利用上转换发光材料吸收红外光发射可见光，能更有效激发染料产生电子，拓宽了太阳电池的光谱响应范围，从而提高电池的光电转换效率。上转换材料发光，是指将两个或两个以上的低能光子转换成一个高能光子的现象，一般特指将红外光转换成可见光，其发光机理是基于双光子或多光子过程。上转换材料主要利用稀土元素的亚稳态能级特性，可以吸收多个低能量的长波辐射，经多光子加和后发出高能的短波辐射，从而可使人眼看不见的红外光变为可见光。上转换产生的前提是存在一个以上电子激发态的亚稳态。实现激发光谱宽化及量子效率提高可以拓宽发光材料的应用领域，其中掺杂是一条有效的途径。掺杂稀土固体化合物包括稀土与过渡金属离子共掺杂，可以导致许多新的、高效率的上转换材料的出现。已发现掺杂卤化物具有红外光转化为可见光功能的过渡金属离子有Ti²⁺，Ni²⁺，Mo³⁺，Re⁴⁺，Os⁴⁺，Mn²⁺，Cr³⁺等。在氟化物和氯化物基质掺杂具有较好跃迁能级的Re⁴⁺，可得到一种极有潜力的上转换发光材料。在800nm光激发下，Tm³⁺、Yb³⁺、Nd³⁺掺杂的LiNbO₃晶体发射紫外可见光。在970nm红外光激发下，Er³⁺和Yb³⁺共掺杂的Y₂O₃发射上转换蓝光和紫外光。对于具有潜在应用价值的上转换发光材料，一直是发光材料研究的热点和方向。近几年来，纳米上转换发光材料的研究已取得一些令人欣喜的结果，为染料敏化太阳电池应用提供了广阔的前景。

综上所述，传统的染料敏化太阳电池由于染料敏化剂存在光谱响应局限，影响了电池的光电转化效率，单纯拓展染料敏化剂至全光谱响应范围难度极大。

发明内容

本发明提供了上转换发光材料在染料敏化太阳电池上的应用，其提高了染料敏化太阳电池的光电转换效率和电池稳定性。

本发明的技术方案为：

上转换发光材料在染料敏化太阳电池上的应用，其特征在于：将上转换发光材料掺入覆盖于染料敏化太阳电池的受光表面的透光薄膜中或分散掺入染料敏化太阳电池电解质中；使得太阳光谱中的红外光转变为染料敏化太阳电池的可吸收的可见光。

所述的上转换发光材料在染料敏化太阳电池上的应用，其特征在于：所述的上转换发光材料是指能将太阳光谱中的红外光转化为可见光功能的纳米稀土金属卤化物材料、稀土金属氧化物材料或稀土金属硫化物材料。

所述的上转换发光材料在染料敏化太阳电池上的应用，其特征在于：薄膜中上转换发光材料的重量比为0.01-20％，所述的掺入染料敏化太阳电池电解质中的上转换发光材料的重量比为0.01-20％；所述的薄膜厚度为0.01-2mm。

所述的上转换发光材料在染料敏化太阳电池上的应用，其特征在于：所述的覆盖于染料敏化太阳电池受光表面的透光薄膜是在高分子材料或小分子有机基质中添加上转换发光材料混合均匀，采用现场固化成膜、薄膜热压粘接、提拉法、旋转涂覆或丝网印刷的方法形成的厚度为0.01-2mm的薄膜。

制备步骤是：

1、将上转换发光材料如：0.01wt％～20wt％的纳米稀土金属卤化物材料、稀土金属氧化物材料或稀土金属硫化物材料均匀分散到高分子材料中，采用挤压，热压粘贴方式制备出均匀的具有上转换功能薄膜，在染料敏化太阳电池外表面覆盖厚度为0.01mm～2mm具有上转换功能发光薄膜。

2、将具有上转换发光材料如：0.01wt％～20wt％的纳米稀土金属卤化物材料、稀土金属氧化物材料或稀土金属硫化物材料均匀分散到小分子有机基质中，采用提拉法、或旋转涂覆、或丝网印刷等方法在染料敏化太阳电池外表面上，覆盖厚度为0.01mm～2mm的具有上转换功能发光薄膜。

3、将具有上转换功能的材料如：0.01wt％～20wt％的纳米稀土金属卤化物材料、稀土金属氧化物材料或稀土金属硫化物材料分散于电解质中，制备具有上转换功能的染料敏化太阳电池适用的电解质。

本发明利用上转换发光材料将染料敏化太阳电池中无法利用的红外光转换成电池可以吸收的可见光，既解决了红外光发热造成的染料敏化太阳电池不稳定，又可以通过近红外光谱发射可见光，使电池更大程度地利用太阳光，提高电池的光电转化效率和稳定性。

具体实施方式

上转换发光材料在染料敏化太阳电池上的应用，是将具有红外光转化为可见光功能的纳米稀土金属卤化物材料、稀土金属氧化物材料或稀土金属硫化物材料覆盖于染料敏化太阳电池受光表面或掺入染料敏化太阳电池电解质中。

实施例1：

首先用95％的酒精清洗染料敏化太阳电池及组件的外表面(10cm²)，接着用丙酮清洗，再用脱脂棉去除染料敏化太阳电池及组件的外表面污渍等。

将5克YF₃:Yb³⁺，Er³⁺纳米颗粒(颗粒粒径为5nm)混合于25克的松油醇中，超声分散1小时。采用丝网印刷方法在染料敏化太阳电池及组件的外表面丝印厚度为0.05mm的上转换功能发光薄膜并应用于染料敏化太阳电池，可以实现将红外光转化为可见光。

实施例2：

首先用95％的酒精清洗染料敏化太阳电池及组件的外表面(10cm²)，接着用丙酮清洗，再用脱脂棉去除染料敏化太阳电池及组件的外表面污渍等。

将5克的纳米YF₃:Yb³⁺，Er³⁺颗粒(颗粒粒径为5nm)均匀分散在25克聚氨酯中，搅拌均匀后，采用60℃现场固化24小时制成厚度约1mm的上转换材料薄膜并应用于染料敏化太阳电池，可以实现将红外光转化为可见光。

实施例3：

将1克YF₃:Yb³⁺，Er³⁺纳米颗粒(颗粒粒径为5nm)加入10克染料敏化太阳电池的电解质中，超声分散30分钟，制备成具有红外光转化为可见光功能的染料敏化太阳电池电解质中并将应用于染料敏化太阳电池，可以实现红外光转化为可见光的目的。