專利名稱：硅基太陽能電池表面量子點光波轉(zhuǎn)換層的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光電復合材料，具體地說是一種硅基太陽能電池表面量子點光 波轉(zhuǎn)換層的制備方法。
技術(shù)背景太陽能將會成為21世紀重要的能源來源，目前太陽能電池發(fā)展的瓶頸主要有兩項因素成本價格與光電轉(zhuǎn)換效率。要提高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率， 主要可以通過優(yōu)化器件設(shè)計如并入背表面場、加強陷光技術(shù)、表面鈍化技術(shù)以 及制作減反射膜減少表面的非吸收損失等。然而太陽能電池器件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和 減反射膜技術(shù)已經(jīng)發(fā)展較成熟，進一步優(yōu)化它們提高光電轉(zhuǎn)換效率的空間不是 太大。太陽光譜是連續(xù)光譜，其分布范圍從零點幾微米的紫外光到數(shù)微米的紅 外光為主。硅的能隙為1. 12V，晶體硅太陽能電池主要吸收400nm到900nm左 右的光，對400nm以下的光(紫光和紫外光)有很低的量子效率，因此造成400nm 以下太陽光能的很大損失。如果想要進一步提高太陽能的利用率，增加太陽能 電池的光電轉(zhuǎn)換效率，就必需充分利用這部分的太陽光能。納米微粒，特別是量子點材料，由于其特殊的量子尺寸效應(yīng)，使其成為當 前光電材料與器件的研究熱點。許多納米量子點材料在紫光或紫外光(400nm 以下)激發(fā)下可以發(fā)出波長在400nm 700nm范圍內(nèi)的可見光，而且控制量子 點的尺寸能得到多種波段的光發(fā)射(藍、綠、紅等)，而晶體硅太陽能電池對 這部分光有較高的量子效率。如果根據(jù)需要將納米量子點材料應(yīng)用到太陽能電 池中，將太陽光譜中400nm以下的紫光和紫外光成分轉(zhuǎn)換到400~ 700nm內(nèi)的 可見光，就能使晶體硅更有效地吸收太陽光能從而提高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換 效率。目前常用于寬帶減反射膜、防眩光涂層、高效絕熱層、聲阻抗耦合材料、 低介電常數(shù)絕緣層、超高速集成電路基片以及分離薄膜、過濾薄膜、催化薄膜 等，在光學、熱學、聲學、電學和化學等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。通過溶膠-凝膠法制備二氧化硅薄膜己經(jīng)被廣泛的研究，經(jīng)文獻查閱有以下介紹。文獻h王娟等"納米多孔二氧化硅薄膜的制備與表征"功能材料36(2005)第54 56頁，以正硅酸乙酯為原料,采用酸/堿兩步溶膠-凝膠法、結(jié) 合勻膠和超臨界干燥等工藝在硅片上成功制備了納米多孔二氧化硅薄膜。并指 出適合勻膠的二氧化硅溶膠的粘度范圍為9 15mPa *s，制得的多孔二氧化硅薄 膜表面均勻平整，其薄膜厚度為400 1000nm，折射率為l. 09 1. 24，薄膜的介 電常數(shù)為l. 5 2. 5。該多孔二氧化硅薄膜具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，二氧化硅微粒直徑 為10 20nm。文獻2:林雪晶等"有序介孔二氧化硅薄膜的制備及性能"過程工程學 報7 (2007)第164 167頁，以十六垸基三甲基溴化銨為模板劑，正硅酸乙酯 為無機前驅(qū)體，在酸性條件下，采用溶膠-凝膠方法，用蒸發(fā)誘導自組裝工藝制 備了二氧化硅透明介孔薄膜。透射電子顯微鏡圖顯示熱處理后的薄膜具有高度 有序的六方相結(jié)構(gòu)孔道，由橢偏儀測得熱處理后薄膜的折射率低至l. 18，厚度 在180nm左右，阻抗分析儀測得薄膜的介電常數(shù)為2. 14，薄膜經(jīng)過六甲基二硅 胺垸表面修飾后具有良好的疏水性能和熱穩(wěn)定性，并指出該薄膜可以作為低介 電材料。文獻3:付甜等"溶膠-凝膠法制備寬帶減反膜"功能材料5 (2003)第 579 584頁，為了克服單層減反射膜剩余反射高，色彩還原性能差的缺點，需要 制備寬帶減反膜，納米多孔二氧化硅薄膜可以實現(xiàn)很好的寬帶減反效果。該文 獻介紹了用光學薄膜設(shè)計程序模擬了光學參數(shù)的變化對薄膜光學性能的影響，優(yōu)化了薄膜的光學參數(shù)。實驗上通過酸堿兩步法和溶膠-凝膠技術(shù)制備了折射率 梯度的納米多孔Si02寬帶減反膜。采用橢偏儀、場發(fā)射掃描電鏡、紫外-可見 分光光度計等方法研究薄膜的光學特性和表面形貌，結(jié)果表明實驗制備的二氧
化硅薄膜具有可控的納米多孔結(jié)構(gòu)，折射率在l. 18 1.43之間可連續(xù)調(diào)節(jié)，形 成的寬帶減反膜在可見光區(qū)域的平均反射率僅為O. 44%。
文獻4:吳廣明等"一種新的溶膠-凝膠方法來合成可控制折射率的納米
多孔硅薄膜-作為寬帶的減反射膜"，材料科學和工程-B (Materials Science and Engineering B) ， 78 (2 3) 2000第135 139頁。這篇文章主要使用酸堿 兩步催化制備出折射率在l. 18到1.42連續(xù)的可控的二氧化硅薄膜，并發(fā)現(xiàn)通過 加上這層硅薄膜可以減少太陽光譜在薄膜表面的反射，減少率從l. 5%到7%不等。 文獻5: C.Ballif， J. Dicker, D. Borchert和T.Hofmann:"在太陽能電池 封裝玻璃上制備多孔二氧化硅減反射層，從而提高太陽能電池的年產(chǎn)量"，太 陽能材料和太陽能電池(Solar Energy Materials & Solar Cells) 82 (2004) 第331 344頁。在這篇文章中主要研究了通過溶膠-凝膠法在太陽能封裝玻璃表 面制備一層多孔二氧化硅減反射層，在太陽能電池標準測試條件下所得的結(jié)果 和沒有二氧化硅減反射層相比，加了二氧化硅減反射層的模型的開路電流增加 了2.65%，通過計算，加了二氧化硅減反射層的太陽能電池模型每年可多獲得 3.4 3. 7%的能量。
文獻6: Diaw D:"通過離子注入法將稀土銪注入Si02用來提高硅太陽能 電池的效率"，太陽能材料和太陽能電池(Solar Energy Materials & Solar Cells) 53(3 4) 1998第379 383頁，通過離子注入法將稀土銪注入到二氧化 硅減反射層里，這個減反射層是直接制備在硅太陽能電池的表面。通過控制一 定的稀土濃度比，在太陽能電池標準測試條件下和沒有加稀土相比較，加入稀土后使電池的相對效率提高了近58%。
文獻7:楊平等"二氧化硅凝膠里硫化鋅納米顆粒的發(fā)光情況"材料科
學和工程-B (Materials Science and Engineering B) 97 (2003)第149 153， 主要研究了通過溶膠-凝膠法將硫化鋅納米顆粒參雜到二氧化硅凝膠里，并研 究了二氧化硅凝膠里摻雜和不摻雜硫化鋅的發(fā)光情況，發(fā)現(xiàn)加入硫化鋅的凝膠 要比沒有加硫化鋅的發(fā)光強度強好幾倍。
文獻8: T.S. Vaishnavi等"氧化鋅納米顆粒在多孔二氧化硅里的光學 特性"Materials Letters 62 (2008)第1649 1651頁，報道了多孔二氧化 硅里氧化鋅的合成和其發(fā)光特征。合成的樣品經(jīng)過熒光光譜儀測量在以320nm 波長的激發(fā)下，樣品的發(fā)射光譜在350nm和405nm。
上述文獻1 4，主要介紹制備二氧化硅薄膜和寬帶減反射膜；文獻5介紹 了通過溶膠-凝膠法在太陽能電池封裝玻璃表面制備一層多孔二氧化硅減反射 層，通過計算，加了二氧化硅減反射層的太陽能電池模型每年可多獲得 3.4 3.7%的能量；文獻6介紹了通過改變太陽光譜從而來提高太陽能電池效 率，這里所用的材料是稀土元素，稀土元素具有很多的能帶系，是很好的發(fā)光 材料，在很多特殊領(lǐng)域有不可替代的作用，稀土銪在紫外激發(fā)下可以發(fā)射可見 波段的光已有很多的相關(guān)報道，所以文獻6就是利用了稀土銪的這種獨特屬性， 從而可以用來提高太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率；文獻7介紹了硫化鋅加入到二氧化 硅凝膠(沒有經(jīng)過熱處理)里的發(fā)光情況，研究發(fā)現(xiàn)加入硫化鋅量子點使整個 凝膠的發(fā)光增強(以紫光及紫外激發(fā)，發(fā)射譜在450nm左右)；文獻8介紹了 氧化鋅量子點的合成和發(fā)光情況，在320nm的紫外光激發(fā)下，它的發(fā)射譜在 350nm和405nm，而且文獻7、文獻8所描述的光波轉(zhuǎn)換波長并非適合晶體硅的 吸收(>500nm)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供的一種硅基太陽能電池表面量 子點光波轉(zhuǎn)換層的制備方法，它將加入納米量子點微粒的二氧化硅溶膠，涂裝 在太陽能電池或封裝玻璃表面制成透明光波轉(zhuǎn)換層薄膜，通過控制二氧化硅溶 膠中納米微粒的成分、尺寸和含量將太陽光中的紫光和紫外光轉(zhuǎn)換成適合于太 陽能電池吸收的可見光，從而提高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。
實現(xiàn)本發(fā)明目的的具體技術(shù)方案是 一種硅基太陽能電池表面量子點光波 轉(zhuǎn)換層的制備方法，特點是將CdS或CdTe量子點材料慘入到二氧化硅溶膠體 制得量子點光波轉(zhuǎn)換復合材料，然后涂裝在硅基太陽能電池表面形成量子點光
波轉(zhuǎn)換層，其制備包括以下步驟
a、 二氧化硅溶膠體的制備
將1.27mol/L的正硅酸乙酯、無水乙醇、去離子水和2mol/L的鹽酸按體 積比為l: 2.5: 0.8: 0.025混合，然后采用熱溶劑法、化學溶膠法、固相/液 相沉淀反應(yīng)法、自組裝法或微影刻蝕法制得二氧化硅的溶膠溶液。
b、 量子點納米材料的制備
將氯化鎘(CdC12 2.5H20)、硫化鈉(Na2S*9H20)和聚乙烯吡咯烷酮(PVP) 按摩爾比為1:1:2X10—3混合，在室溫下攪拌2小時，得CdS量子點納米材料； 將Te粉、氯化鎘(CdC12'2.5H20)、巰基乙酸和硼氫化鈉(NaBH4)水溶液按 摩爾比為2:1:5:2混合反應(yīng)，攪拌反應(yīng)2小時，得CdTe量子點納米材料。
c、 量子點光波轉(zhuǎn)換復合材料的合成
將上述制備的二氧化硅溶膠、量子點納米材料按重量比為5: 2混合，在室 溫下攪拌3小時，得量子點光波轉(zhuǎn)換復合材料。
d、 太陽能電池表面的涂裝
7將上述量子點光波轉(zhuǎn)換復合材料均勻地涂覆在硅太陽能電池表面，然后在
壓力小于100Pa的真空條件下或惰性氣體的保護下進行加熱處理，在硅太陽能 電池表面形成一透明的光波轉(zhuǎn)換膜層，其熱處理溫度為450°C、時間為1小時。 所述硅基太陽能電池為多晶硅、單晶硅、非晶硅或微晶硅太陽能電池。 所述涂裝為絲網(wǎng)印刷、旋涂、噴涂、化學沉積或提拉法。 本發(fā)明對400 900nm范圍內(nèi)的光有很高的透過率，并可將太陽光中400nm 以下的紫光和紫外光成分轉(zhuǎn)換到400 700nm內(nèi)的可見光，可提高硅基太陽能 電池的光電轉(zhuǎn)換效率，與現(xiàn)有技術(shù)相比具有光電轉(zhuǎn)換率高、化學和熱穩(wěn)定性好、 制備方法簡單、成本低的優(yōu)點，本發(fā)明可使太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換率提高2 15 %，從而大大降低現(xiàn)有太陽能電池的綜合成本，有利于太陽能電池的規(guī)?；瘧?yīng) 用和普及。


圖1為硅基太陽能電池表面量子點光波轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)示意圖 圖2為實施例1的量子點光波轉(zhuǎn)換層發(fā)射光譜圖 圖3為實施例1的量子點光波轉(zhuǎn)換層電流-電壓曲線圖 圖4為實施例2的量子點光波轉(zhuǎn)換層電流-電壓曲線圖 圖5為本發(fā)明量子點波轉(zhuǎn)換薄膜層的透射譜圖
具體實施例方式
參閱附圖l，將CdS或CdTe量子點材料摻入到二氧化硅溶膠體制得量子點 光波轉(zhuǎn)換復合材料，然后涂裝在硅基太陽能電池表面形成量子點光波轉(zhuǎn)換層， 下面通過實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明 實施例1
將CdS量子點材料摻入到二氧化硅溶膠體制得量子點光波轉(zhuǎn)換復合材料，然后涂裝在硅基太陽能電池表面形成量子點光波轉(zhuǎn)換層，制備包括以下步驟
a、 二氧化硅溶膠體的制備
取濃度為1. 27mol/L的正硅酸乙酯lOmL、無水乙醇25mL、 2mol/L的鹽酸 0. 25ml和8mL的去離子水混合，然后采用熱溶劑法將混合液在5(TC的水浴里 磁力攪拌3小時，得二氧化硅的溶膠溶液。
b、 CdS量子點納米材料的制備
取3. 2腿ol/L的氯化鎘(CdC12 2. 5H20)溶液25ml與質(zhì)量為5%的聚乙烯吡 咯烷酮溶液(PVP)10ml在室溫下攪拌2小時，然后將3.2ramol/L的硫化鈉 (Na2S'9H20)溶液15ml滴加在上述混合溶液中攪拌反應(yīng)2小時，得CdS量子點 納米材料。
c、 CdS量子點光波轉(zhuǎn)換復合材料的合成
將上述制備的二氧化硅溶膠和CdS量子點納米材料按重量比為5:2混合， 在室溫下攪拌3小時，得CdS量子點光波轉(zhuǎn)換復合材料。
d、 太陽能電池表面的涂裝
將上述CdS量子點光波轉(zhuǎn)換復合材料均勻地旋涂在硅太陽能電池表面，然 后在壓力小于100Pa的真空條件下，加熱溫度為450°C，熱處理1小時，形成 一層薄的透明光波轉(zhuǎn)換膜。
參閱附圖2，對上述制備的硅太陽能電池表面上形成的CdS量子點光波轉(zhuǎn) 換層用熒光分光光度計測試其薄膜的發(fā)光在360mn紫外光激發(fā)下發(fā)出波峰為 550nm左右的發(fā)射光譜圖。
參閱附圖3，用300W模擬的太陽光對上述制備的硅太陽能電池表面上形成 的CdS量子點光波轉(zhuǎn)換層照射，可以看出，在太陽能電池表面形成透明光波轉(zhuǎn) 換層后，開路電壓為620mV，基本保持不變；短路電流從5A提高到5.3A，增光電轉(zhuǎn)換效率提高7%左右。
實施例2
將CdTe量子點材料摻入到二氧化硅溶膠體制得量子點光波轉(zhuǎn)換復合材料， 然后涂裝在硅基太陽能電池表面形成量子點光波轉(zhuǎn)換層，制備包括以下步驟
a、 二氧化硅溶膠體的制備
取濃度為1.27mol/L的正硅酸乙酯10mL、無水乙醇25mL、 2mol/L的鹽酸 0. 25ml和8mL的去離子水混合，然后采用熱溶劑法將混合液在5(TC的水浴里 磁力攪拌3小時，得二氧化硅的溶膠溶液。
b、 CdTe量子點納米材料的制備
將0.005molTe粉置于燒杯中，加入10ml (2. 2X10-lmol/L)硼氫化鈉 (NaBH4)水溶液，靜置數(shù)分鐘待黑色的Te粉逐漸溶解，形成無色透明的NaHTe 水溶液，取lmol/L的氯化鎘(CdC12 2.5H20)水溶液10ml與0.0015mol的巰 基乙酸(TGA)O. lml混合后，用lmol/L的NaOH溶液滴加在CdQ2 '2. 5H20與巰基乙 酸的混合液中，使得混合液的pH值為9，然后在攪拌時加入上述制備的NaHTe水 溶液，將此溶液加熱至沸騰并回流2小時，制得CdTe量子點納米材料。
c、 量子點光波轉(zhuǎn)換復合材料的合成
將上述制備的二氧化硅溶膠、CdTe量子點納米材料按重量比為5:2在室溫 下攪拌3小時，得CdTe量子點光波轉(zhuǎn)換復合材料。 e、太陽能電池表面的涂裝
將上述CdTe量子點光波轉(zhuǎn)換復合材料均勻地旋涂在硅太陽能電池表面，然 后在氬氣或氮氣的保護下進行加熱處理，加熱溫度為450°C，熱處理1小時， 形成一層薄的透明光波轉(zhuǎn)換膜。
參閱附圖4，用300W模擬的太陽光對上述制備的硅太陽能電池表面上形成的CdTe量子點光波轉(zhuǎn)換層照射，可以看出，在太陽能電池表面形成透明光波 轉(zhuǎn)換層后，開路電壓為615mV，基本保持不變；短路電流從5. 1A提高到5.5A， 增光電轉(zhuǎn)換效率提高9%左右。
參閱附圖5，對上述制備的硅太陽能電池表面上形成的CdS量子點光波轉(zhuǎn) 換層進行透射測試，在可見光范圍內(nèi)，其薄膜的透過率都大于90%。
以上實施例只是對本發(fā)明做進一步說明，并非用以限制本發(fā)明專利，凡為 本發(fā)明等效實施，均應(yīng)包含于本發(fā)明專利的權(quán)利要求范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種硅基太陽能電池表面量子點光波轉(zhuǎn)換層的制備方法，其特征在于將CdS或CdTe量子點材料摻入到二氧化硅溶膠體制得量子點光波轉(zhuǎn)換復合材料，然后涂裝在硅基太陽能電池表面形成量子點光波轉(zhuǎn)換層，制備包括以下步驟a、二氧化硅溶膠體的制備將1.27mol/L的正硅酸乙酯、無水乙醇、去離子水和2mol/L的鹽酸按體積比為1∶2.5∶0.8∶0.025混合，然后采用熱溶劑法、化學溶膠法、固相/液相沉淀反應(yīng)法、自組裝法或微影刻蝕法制得二氧化硅的溶膠溶液；b、量子點納米材料的制備將氯化鎘(CdCl2·2.5H2O)、硫化鈉(Na2S·9H2O)和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)按摩爾比為1∶1∶2×10-3混合，在室溫下攪拌2小時，得CdS量子點納米材料；將Te粉、氯化鎘(CdCl2·2.5H2O)、巰基乙酸和硼氫化鈉(NaBH4)水溶液按摩爾比為2∶1∶5∶2混合反應(yīng)，攪拌反應(yīng)2小時，得CdTe量子點納米材料；c、量子點光波轉(zhuǎn)換復合材料的合成將上述制備的二氧化硅溶膠、量子點納米材料按重量比為5∶2混合，在室溫下攪拌3小時而得量子點光波轉(zhuǎn)換復合材料；d、太陽能電池表面的涂裝將上述量子點光波轉(zhuǎn)換復合材料均勻地涂覆在硅太陽能電池表面上，然后在壓力小于100Pa的真空條件下或惰性氣體的保護下進行加熱處理，在硅太陽能電池表面形成一透明的光波轉(zhuǎn)換膜層，其熱處理溫度為4500C、時間為1小時。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述硅基太陽能電池表面量子點光波轉(zhuǎn)換層的制備方法， 其特征在于所述硅基太陽能電池為多晶硅、單晶硅、非晶硅或微晶硅太陽能電 池。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述硅基太陽能電池表面量子點光波轉(zhuǎn)換層的制備方法， 其特征在于所述涂裝為絲網(wǎng)印刷、旋涂、噴涂、化學沉積或提拉法。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種硅基太陽能電池表面量子點光波轉(zhuǎn)換層的制備方法，特點是將CdS或CdTe量子點材料摻入到二氧化硅溶膠體制得量子點光波轉(zhuǎn)換層復合材料，然后將復合材料涂裝在硅基太陽能電池表面形成量子點光波轉(zhuǎn)換層，其制備包括二氧化硅溶膠體、量子點納米材料的制備、復合材料的合成和太陽能電池表面的涂裝。本發(fā)明具有很高的光透過率，并可將太陽光中400nm以下的紫光和紫外光成分轉(zhuǎn)換到400～700nm內(nèi)的可見光，大大提高了硅基太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率，與現(xiàn)有技術(shù)相比具有量子點光波轉(zhuǎn)換層的光波轉(zhuǎn)換率高制備方法簡單、成本低的優(yōu)點。
文檔編號C23C20/00GK101567406SQ20091005278
公開日2009年10月28日 申請日期2009年6月9日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月9日
發(fā)明者卓 孫, 曹美玲, 林麗鋒, 潘麗坤, 程祖軍 申請人:華東師范大學;上海納晶科技有限公司