用于硅太阳能电池的光下转换层及其制备方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于硅太阳能电池的光下转换层及其制备方法。首先制备稀土有机-无机杂化近红外量子剪裁纳米材料，将其均匀分散在透明的聚合物中，采用旋涂法或浸渍提拉法制成用于硅太阳能电池的光下转换层。该转换层中的稀土有机-无机杂化近红外量子剪裁纳米材料的光吸收摩尔系数大、吸收带宽，无机基质保护发光中心阳离子避免非辐射钝化源猝灭发光，并且与高分子聚合物相容性好。这类稀土有机-无机杂化近红外量子剪裁纳米材料能够有效地吸收太阳光中电池光谱响应较差的短波长光子，发射出硅太阳能电池光谱响应好的近红外光子，从而提高硅太阳能电池的光谱响应，减少硅太阳能电池因光谱失配造成的能量损失，提高硅太阳能电池光电转换效率。
【专利说明】
用于硅太阳能电池的光下转换层及其制备方法
技术领域
[0001]本发明涉及太阳能电池技术领域，特别是涉及一种含有稀土有机-无机杂化近红外量子剪裁纳米材料并且用于硅太阳能电池的光下转换层及其制备方法。
【背景技术】
[0002]目前广泛使用的硅太阳能电池存在光电转换效率低的问题，从理论上，其光电转换效率最大值为30%左右，而实际转换效率约15%左右。其主要原因归结为入射的太阳光与电池光谱响应间的光谱失配。在太阳光谱中，只有能量大于硅太阳能电池能隙(1.12eV)的太阳光才能被吸收，而能量小于硅太阳能电池能隙的太阳光则完全无吸收。此外，太阳光中短波长的蓝紫光，虽然具有较高的能量，但其照射到太阳能电池时，也只有等同于近红外光的较低能量被吸收，其余则转化为热能损失。仅这两种效应就会造成太阳能电池中70%左右的辐射能损失。因此，通过光谱调制使硅太阳能电池更充分、更合理的吸收太阳光，是提高硅太阳能电池光电转换效率的一个最重要途径。
[0003]近年来，研究者们发现利用近红外量子剪裁下转换材料是提高硅太阳能电池转换效率的有效途径之一，这也使得近红外量子剪裁下转换材料的研究在近几年取得了丰硕的成果。目前，人们对近红外量子剪裁下转换材料的研究主要集中在稀土离子对共掺杂的无机粉体材料和玻璃。然而，无机粉体材料和玻璃中掺杂的稀土离子的跃迀是宇称禁戒的，其摩尔吸光系数小、吸收截面低，导致光激发无效和发光强度低，直接激发稀土离子很难获得高量子产率发光。
[0004]稀土有机-无机杂化材料兼具有机和无机功能基团各自的性质和功能。稀土有机-无机杂化近红外量子剪裁材料利用具有较高吸光系数的有机配体，通过天线效应敏化无机基质中的稀土发光中心离子，从而获得高荧光量子产率的稀土近红外发光。而且，稀土有机-无机杂化近红外量子剪裁材料，具有发光效率高、易耦合到光纤、薄膜中以及加工性能好等特点，显示出更加优越和广泛的应用价值和应用空间。将高效的稀土有机-无机杂化近红外量子剪裁纳米材料均匀分散到透明的聚合物中，制成光透过率高、光色散小、光学性能优异的光下转换层，该转换层中所含的稀土有机-无机杂化近红外量子剪裁纳米材料吸收电池光谱响应较差的一个短波长光子，发射出电池光谱响应好的两个或多个近红外光子(λ 100nm)，从而提高电池的光谱响应，减少娃太阳能电池因光谱失配造成的能量损失，进而提高硅太阳能电池的光电转换效率。
【发明内容】
[0005]为解决现有技术问题，提高硅太阳能电池光电转换效率，本发明提供一种用于硅太阳能电池的光下转换层及其制备方法。该光下转换层包括:稀土有机-无机杂化近红外量子剪裁纳米材料和均匀掺有稀土有机-无机杂化近红外量子剪裁纳米材料的聚合物。其能够有效地吸收太阳光并将其转换为与硅太阳能电池能隙相匹配的100nm左右的近红外光，减少硅太阳能电池因光谱失配造成的能量损失，进而提高硅太阳能电池的光电转换效率。其制备方法操作简单方便，重复性好，温度要求低。
[0006]本发明采用如下技术方案:
[0007]在本发明的光下转换层中，稀土有机-无机杂化近红外量子剪裁纳米材料是以有机羧酸为有机配体，以稀土氟化物或碱土金属氟化物为无机基质，稀土离子作为发光中心离子，其化学组成为:第一类=CA-(AMzLn)1 x yFn:REx, Yby，其中CA为有机羧酸(carboxylicacid)，AM = Li+或 Na + 或 K +，Ln = Y3+或 La 3+或 Gd 3+或 Ce 3+，RE = Tb3+或 Er 3+，x = 0.01 ?0.05,y = 0.02 ?0.Lz = O 或 1/2 (Ι-χ-y)，η = 3 或 4 ;第二类 -CA-Me1 x yF2: REx, Yby，其中CA 为有机竣酸(carboxylic acid) ,Me = Ca2+或 Ba2+或 Sr 2+，RE = Tb3+或 Er3+，x = 0.01 ?
0.05，y = 0.02 ?0.1d
[0008]在本发明的光下转换层中，稀土有机-无机杂化近红外量子剪裁纳米材料有效地吸收紫外-可见光，发射出100nm左右的近红外光。
[0009]在本发明的光下转换层中，稀土有机-无机杂化近红外量子剪裁纳米材料的粒径为 2 ?200nm。
[0010]在本发明的光下转换层中，稀土有机-无机杂化近红外量子剪裁纳米材料在光下转换层中的质量百分数为0.1?10%。
[0011]在本发明的光下转换层中，聚合物在可见光区域透明，并且在红外区无吸收。
[0012]在本发明的光下转换层中，聚合物折射率为1.3?1.8。
[0013]此外，本发明还提供一种光下转换层的制备方法，其主要是将稀土有机-无机杂化近红外量子剪裁纳米材料均匀分散在聚合物中形成的胶体涂覆在硅太阳能电池基板表面，形成本发明的光下转换层。
[0014]在本发明的光下转换层的制备方法中，采用旋涂法或浸渍提拉法涂布所述胶体，然后置于真空干燥箱中，20?80°C保持0.5?5h。
[0015]在本发明的光下转换层的制备方法中，使用的聚合物在可见光区域透明，在红外区无吸收，其分子量为10000?40000，折射率为1.3?1.8。
[0016]本发明的方法提供一种光下转换层以提高硅太阳能电池光电转换效率。该光下转换层在可见光区域透明，并且在红外区无吸收。转换层中掺杂的稀土有机-无机杂化近红外量子剪裁纳米材料，在克服稀土有机配合物光、热和化学稳定性差等缺点的同时，又克服了无机材料所需激发能量高、吸收带窄、量子效率低、与高分子聚合物相容性不好等缺点。其既可发挥有机配体的光吸收摩尔系数大、吸收带宽及其“天线效应”，又可发挥无机基质保护发光中心阳离子避免非辐射钝化源猝灭发光的优势。该光转换层置于硅太阳能电池上表面，可减少因光谱失配造成的能量损失，进而提高硅太阳能电池光电转换效率。
【附图说明】
[0017]图1为本发明的用于硅太阳能电池的光下转换层结构示意图。其中，I为太阳光；2为光下转换层；3为稀土有机-无机杂化近红外量子剪裁纳米材料；4为硅太阳能电池。
【具体实施方式】
[0018]实施例1:稀土有机-无机杂化近红外量子剪裁纳米材料5-SSA_NaGdF4:l%Tb3+，8Yb3+的制备，包括以下步骤:
[0019](I)配置 0.2M 的 Gd (NO3) 3、Tb (NO3) 3和 Yb (NO 3) 3稀土硝酸盐水溶液；
[0020](2)称取28mmol柠檬酸三钠加入去离子水，配成40ml柠檬酸钠水溶液；
[0021](3)分别量取 0.2M 的 Gd (NO3)313.16ml，Tb (NO3) 30.14ml，Yb (NO3)3L 12ml 加入(2)中，充分搅拌40min ；
[0022](4)将0.4M NaF水溶液22ml加入(3)中，充分搅拌30min ；
[0023](5)将混合液移至聚四氟乙烯反应釜中，密封，放入真空烘箱中，于180°C保持24h，然后自然冷却至室温；
[0024](6)将反应后的溶液沉淀、离心、洗涤，获得NaGdF4:1 % Tb3+，8Yb3+纳米材料；
[0025](7)将获得的NaGdF4:1 % Tb3+，8Yb3+纳米材料加入2M 40ml 5-磺基水杨酸(SSA)水溶液中，用氨水调节溶液PH值至5.5，水浴回流4h，然后自然冷却至室温并静置12h ;
[0026](8)离心、洗涤后的固产物放在真空干燥箱中干燥一昼夜，获得稀土有机-无机杂化近红外量子剪裁纳米材料5-SSA-NaGdF4:1% Tb3+，8Yb3+纳米材料。
[0027]实施例2:光下转换层的制备，流程如下:
[0028](I)将PMMA加入氯仿中配成质量百分数为5%的PMMA氯仿溶液；
[0029](2)将 5-SSA-NaGdF4:l % Tb3+，8Yb3+加入到上述 PMMA 氯仿溶液中，5-SSA-NaGdF4:1 % Tb3+, 8Yb3+与PMMA的质量百分比为5:95，充分搅拌1h形成胶体，然后静置 12h ；
[0030](3)将硅太阳能电池基板置于旋涂仪上，将上述胶体滴在硅太阳能电池基板上，转速为2000r，保持30s，然后将其取下置于真空干燥箱中，25°C保持5h。
[0031]以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非用于限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
【主权项】
1.一种用于硅太阳能电池的光下转换层，其包括:稀土有机-无机杂化近红外量子剪裁纳米材料和均匀掺有稀土有机-无机杂化近红外量子剪裁纳米材料的聚合物。2.根据权利要求1所述的用于硅太阳能电池的光下转换层，其特征在于:稀土有机-无机杂化近红外量子剪裁纳米材料的组成:第一类=CA-(AMzLn) i x yFn:REx, Yby，其中CA为有机羧酸(carboxylic acid)，AM = Li+或 Na + 或 K +，Ln = Y3+或 La 3+或 Gd 3+或 Ce 3+，RE=Tb3+或 Er 3+，X = 0.01 ?0.05，y = 0.02 ?0.1，z = O 或 1/2 (Ι-χ-y)，η = 3 或 4 ;第二类:CA-Me1 x yF2: REx, Yby，其中 CA 为有机羧酸(carboxyl ic acid)，Me = Ca2+或 Ba 2+或 Sr 2+，RE = Tb3+或 Er 3+，x = 0.01 ?0.05，y = 0.02 ?0.1。3.根据权利要求1所述的用于硅太阳能电池的光下转换层，其特征在于:稀土有机-无机杂化近红外量子剪裁纳米材料有效地吸收紫外-可见光，发射出100nm左右的近红外光。4.根据权利要求1所述的用于硅太阳能电池的光下转换层，其特征在于:稀土有机-无机杂化近红外量子剪裁纳米材料的粒径为2?200nm。5.根据权利要求1所述的用于硅太阳能电池的光下转换层，其特征在于:稀土有机-无机杂化近红外量子剪裁纳米材料在光下转换层中的质量百分数为0.1?10%。6.根据权利要求1所述的用于硅太阳能电池的光下转换层，其特征在于:聚合物在可见光区域透明，并且在红外区无吸收。7.根据权利要求1所述的用于硅太阳能电池的光下转换层，其特征在于:聚合物折射率为1.3?1.8。8.一种用于硅太阳能电池的光下转换层的制备方法，其主要是将稀土有机-无机杂化近红外量子剪裁纳米材料均匀分散在聚合物中形成的胶体涂覆在硅太阳能电池基板表面，形成如权利I所述的光下转换层。9.根据权利要求8所述的用于硅太阳能电池的光下转换层的制备方法，其特征在于:采用旋涂法或浸渍提拉法涂布所述胶体，然后置于真空干燥箱中，20?80°C保持0.5?5h。10.根据权利要求8所述的用于硅太阳能电池的光下转换层的制备方法，其特征在于:使用的聚合物在可见光区域透明，在红外区无吸收，其分子量为10000?40000，折射率为.1.3 ?1.8o
【文档编号】H01L31/18GK105870239SQ201510026440
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2015年1月20日
【发明人】李素文, 姜义, 贯丛, 岳巾英
【申请人】长春工程学院