一种可用于硅基太阳能电池的光子级联发射材料的制作方法

专利名称：一种可用于硅基太阳能电池的光子级联发射材料的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于提高太阳光利用率的光子级联发射材料，即光转 换材料，涉及稀土共掺杂材料和硅基太阳能电池领域，尤其是一种可用于 硅基太阳能电池的光子级联发射材料。
背景技术：
由于传统矿物能源的不可再生性和使用后对环境的污染性，太阳能的 利用成为了缓解能源紧张和减轻环境污染的有效途径，当前对于太阳能的 利用主要是通过太阳能电池将光能转换成电能。在太阳能电池中硅基太阳 能电池以其较高的光电转换效率和稳定的运行状态成为当前产业化的主 流。
光子级联发射材料是指在稀土离子单掺杂或者共掺杂的材料中，吸收 一个光子，发射出两个或者两个以上光子的材料，这种材料的内量子效率
可以达到或者超过200%，从而提高光的输出。
硅基太阳能电池中采用的核心材料是半导体材料硅，硅的带隙宽度是 U2eV，只要激发光的波长小于1100nm，就可以导致硅价带上的电子被激 发到导带，从而产生光电流。根据光电效应原理，对于硅，只要是波长小 于1100nm, —个光子只能产生一个电子。波长为250nm 600nm的一个光 子激发硅产生一个电子后，其多余的能量是以晶格声子的形式释放，造成 硅温度的升高，这不但导致能量的浪费，还产生了由于硅元件温度太高而 导致的一系列问题。

发明内容
本发明的目的是提供一种对于波长小于500nm光子的能量能够充分 利用，避免热效应，从而提高太阳能电池的太阳光利用率的一种可用于硅 基太阳能电池的光子级联发射材料。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是
一种可用于硅基太阳能电池的光子级联发射材料，其特别之处在于， 是共掺杂在氟氧化物陶瓷玻璃中的P,和Yb3+、 Er3， Yb3+、或Nd"和Yb3+。
化学组成为m(Si02—A1203—A1F3—NaN03—RF3): n(xY203—yYb203 —zRE203)，其中R代表Y或La,其中RE代表Pr、Nd、或Er，其中0.5SxS0.99， 0.01，zS0.5， l^m: n^99。
其中Si02—A1203—A1F3—NaN03—RF3以重量份计其组分为
Si02 60~85
A1203 1~10
A1F3 1~5
NaN03 1~3
RF3 1~3
在制备过程中，需要在温度450 55(TC条件下退火2~5个小时。 本发明是为了克服以上的问题，提出了一种光子级联发射材料，该材 料是稀土掺杂的玻璃陶瓷材料，其中成对的稀土离子可以是Pi^+和Yb3+， Nd3，Yb3+，或者ErS+和Yl^+。该材料可以把一个大能量的光子转化成两 个小能量光子，同时这两个小能量的光子仍然可以激发硅价带上的电子到 导带，这样一个大能量的光子可以产生两个或者两个以上的电子，这个过 程一方面可以提高太阳光的利用率，同时可以减少多余能量所导致的热效 应。
相较与现有技术，由于本发明中的陶瓷玻璃有从300nm到4500nm的透过范围，同时其声子能量较低，而且在其中的稀土可溶性较好，材料本 身很稳定，因此是一种较好的发光材料载体。


附图1是共掺杂在玻璃陶瓷材料中稀土P一+和Y^+能级图； 附图2是共掺杂在玻璃陶瓷材料中稀土Nd^和￥1)3+能级附图3是共掺杂在玻璃陶瓷材料中稀土 Ei^+和Y^+能级图。
具体实施例方式
硅基太阳能电池对于波长小于500nm光子的能量没有充分利用，同时 未被充分利用的多余能量会导致电池元件升温过高，为了解决这些问题， 本发明提出了一种光利用率高的稀土掺杂光子级联发射材料。
本发明解决技术问题所采用的技术方案是制备一种稀土掺杂的氟氧 化物陶瓷玻璃，其组成主要为氧化物的组合(化学组成为m (Si02—Al203 —A1F3—NaN03—RF3) : n(xY203—yYb203—zRE203)，其中R可为Y或者 La，其中RE可为Pr，Nd，或Er。
本发明Si02—A1203—A1F3—NaN03—RF3中不同组分的比例可以根据 透光的需要进行调整。
退火后YF3或者LaF3纳米颗粒会从玻璃陶瓷中析出，同时大部分稀土 Pr3+， Nd3+， Er3+，和Yb"离子会集中在YF3或者LaF3纳米微晶中，本发 明材料可以吸收一个紫外或者可见光光子，发射出两个可见或者红外光 子，其内量子效率可为200%，提高了太阳光的利用率。
本发明中的材料可以实现高能光子的光子劈裂，即一个光子劈裂成两 个小能量的光子，经过此陶瓷玻璃的部分紫外或者可见光可以实现光子的级联发射，这样可以提高太阳光的利用率，同时减少了多余能量所导致的 热效应。
图1是氟氧化物陶瓷玻璃中氟化物中稀土 Pr31n ￥1)3+间的能级结构图 和能量传递示意图，其中P +可以被440nm到470nm内的光子有效的激发， 激发态的Pr"本身会发射一个950nm光子，即3P。—&4跃迁，同时由于Pr3+
3&跃迁和Yb3+ 2F7/2—2F5/2跃迁间有光谱交叠，同时二者符合 F6rster-Dexter能量传递理论所要求的条件，所以会导致Yb"发射一个 1020nm的光子(2F5/2—2F7/2)，因此共掺杂于氟氧化物陶瓷玻璃中的Pr3+ 和￥133+可以有效的实现能量传递，可以吸收一个波长为450nm左右的光 子，而发射出两个分别为950nm和1020nm的光子，这两个光子能量大于 硅的带隙宽度，因此可以有效的实现光电流，同时避免在高能光子照射下 多余能量所导致的热效应。
图2是氟氧化物陶瓷玻璃中氟化物中稀土Nc^+和Y^+间的能级结构图 和能量传递图示，其中NdS+可以有效的吸收355nm左右的光子，即从其基 态419/2到激发态4D3/2的跃迁，处于激发态的Nd^本身会发射出一个910nm 光子(403/2—2G7/2),在能级207/2上的电子会经过无辐射弛豫过程到卞3/2能 级，然后^3/2能级上电子会和￥1)3+基态^7/2上电子发生交叉弛豫过程，导 致Yb"发射1020nm的光子(2F5/2—2F7/2)，因此在此材料中，稀土离子是 吸收355nm紫外光，发射一个910nm光子和一个1020nrn光子，这样就实 现此种材料中的光子级联发射过程。
图3是氟氧化物陶瓷玻璃中氟化物中稀土 Er"和Y^+间的能级结构图 和能量传递图示，其中的ErS+会吸收约为300nm左右的紫外光子，即从其 基态4115/2到2K13/2的跃迁，E,本身会发射一个波长为455nm的光子(2&3/2 —4111/2),同时处于激发态4Iu/2的E,可以通过和￥1)3+的交叉弛豫过程，导 致Yb"的发射，即2F5/2—2F7/2的跃迁,这样一个300nm左右的紫外光子可以导致两个光子的发射， 一个光子的波长为455nm左右，另一个光子为 1020nm,因此在这种材料中也存在光子级联发射过程，其内量子效率为 200%。
实施例1
将各原料(化学组成为m (Si02—A1203—AlF3_NaN03 —RF3) : n (0.5Y2O3—0.25Yb2O3 —0.25RE2O3)，其中R为Y， RE为Pr， m:n=l，按
比例进行配制，以重量份计算其组分为
Si02 60
A1203 1
A1F3 1
NaN03 1
RF3 1
混合原料，然后采用球磨机进行研磨20-50分钟，然后在1100°C~1300 °C温度下将原料熔化，形成玻璃熔体，保持1~2个小时，然后将玻璃熔 体倒入模具中在空气中冷却至室温，待玻璃成型后，将制得的陶瓷玻璃置 于马弗炉中，在45(TC 550'C下退火2 5个小时，然后再以8~10°C/h的降
温速度降至室温，然后对样品进行抛光处理，即得掺杂稀土的氟氧化物陶 瓷玻璃。
实施例2
将各原料(化学组成为m (Si02 —A1203—A1F3—NaN03—RF3) : n (0.99Y2O3—0.005Yb2O3—0.005RE2O3)，其中R为La， RE为Nd， m:n=30，
按比例进行配制，以重量份计算其组分为
Si02 70
A1203 3
A1F3 2
NaN03 2RF3 2
混合原料，然后采用球磨机进行研磨30分钟，然后在120(TC温度下 将原料熔化，形成玻璃熔体，保持1.5个小时，然后将玻璃熔体倒入模具 中在空气中冷却至室温，待玻璃成型后，将制得的陶瓷玻璃置于马弗炉中， 在50(TC下退火3个小时，然后再以9°C/h的降温速度降至室温，然后对 样品进行抛光处理，即得掺杂稀土的氟氧化物陶瓷玻璃。
实施例3
将各原料(化学组成为m (Si02—A1203—A1F3—NaN03—RF3) : n (0.7Y2O3—0.25Yb2O3—0.05RE2O3)，其中R为Y， RE为Er， m:n=60，
按比例进行配制，以重量份计算其组分为
Si02 75
A1203 6
A1F3 3
NaN03 2.1
RF3 2.3
其余部分与实施例2相同。 实施例4
将各原料(化学组成为m (Si02 — Al203—A1F3—NaN03—RF3) : n (0.5Y2O3—0.25Yb2O3—0.25RE2O3)，其中R为La， RE为Nd， m: n=75，
按比例进行配制，以重量份计算其组分为
Si02 80
A1203 8
A1F3 4
NaN03 3
RF3 3
其余部分与实施例l相同。实施例5
将各原料(化学组成为m (Si02—Al203—A1F3—NaN03—RF3) : n (0.99Y2O3—0.005Yb2O3—0.005RE2O3)，其中R为Y， RE为Pr， m: n=99，
按比例进行配制，以重量份计算其组分为
Si02 85
A1203 10
A1F3 5
NaN03 3
RF3 3
其余部分与实施例2相同。 实施例6
将各原料(化学组成为m (Si02 —A1203—A1F3—NaN03—RF3) : n (0,7Y2O3—0.25Yb2O3—0.05RE2O3)，其中R为La， RE为Er， m: n=72，
按比例进行配制，以重量份计算其组分为
Si02 65 A1203 3 A1F3 1 NaN03 3 RF3 2 其余部分与实施例2相同。
由于在后期退火过程中，YF3或者LaF3会以纳米晶形式析出，因此其 中的稀土离子浓度会远大于陶瓷玻璃中稀土离子的浓度。将按上述方法获 得陶瓷玻璃覆盖在硅基太阳能电池板的表面，以实现对一定波段太阳光的 光子级联发射，从而提高硅基太阳能电池对阳光的利用效率。
权利要求
1、一种可用于硅基太阳能电池的光子级联发射材料，其特征在于是共掺杂在氟氧化物陶瓷玻璃中的Pr3+和Yb3+、Er3+和Yb3+、或Nd3+和Yb3+。
2、 如权利要求1所述的一种可用于硅基太阳能电池的光子级联发射 材料，其特征在于化学组成为m(Si02—A1203—A1F3—NaN03—RF3): n(xY203—yYb203 —zRE203)，其中R代表Y或La，其中RE代表Pr、Nd、或Er,其中0.5SxS0.99, 0.01^y+zS0.5， l￡m: n^99。
3、 如权利要求1所述的一种可用于硅基太阳能电池的光子级联发射 材料，其特征在于-其中Si02—Al203_AlF3—NaN03—RF3以重量份计其组分为Si02 60~85A1203 1~10A1F3 1 5NaN03 1 3RF3 1~3。
4、 如权利要求1所述的一种可用于硅基太阳能电池的光子级联发射材料，其特征在于-在制备过程中，需要在温度450 55(TC条件下退火2~5个小时。
全文摘要
本发明涉及一种用于提高太阳光利用率的光子级联发射材料，即光转换材料，涉及稀土共掺杂材料和硅基太阳能电池领域，尤其是一种可用于硅基太阳能电池的光子级联发射材料，其特点是共掺杂在氟氧化物陶瓷玻璃中的Pr³⁺和Yb³⁺、Er³⁺和Yb³⁺、或Nd³⁺和Yb³⁺。相较于现有技术，由于本发明中的陶瓷玻璃有从300nm到4500nm的透过范围，同时其声子能量较低，而且在其中的稀土可溶性较好，材料本身很稳定，因此是一种较好的发光材料载体。
文档编号H01L31/055GK101436615SQ20081023273
公开日2009年5月20日 申请日期2008年12月9日 优先权日2008年12月9日
发明者王大伟 申请人:彩虹集团公司