專(zhuān)利名稱(chēng)：具有上轉(zhuǎn)換材料的太陽(yáng)電池及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種太陽(yáng)電池。特別是涉及一種通過(guò)電池利用上轉(zhuǎn)換材料的功能可以充 分利用太陽(yáng)光譜，以便提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率的具有上轉(zhuǎn)換材料的太陽(yáng)電池及其制備 方法。
背景技術(shù)：
光伏發(fā)電是國(guó)際公認(rèn)的解決能源短缺與環(huán)境污染問(wèn)題的有效途徑之一。為使光伏發(fā) 電能夠成為未來(lái)能源的重要組成部分，其關(guān)鍵是要將光伏發(fā)電成本降到與常規(guī)能源相當(dāng)。 因此，低成本、高效率太陽(yáng)電池的研究則非常重要。
現(xiàn)有的太陽(yáng)電池，無(wú)論是晶體硅太陽(yáng)電池，還是薄膜太陽(yáng)電池，由于本身材料帶隙 的限制，只能吸收太陽(yáng)光譜中的可見(jiàn)光部分，將近50%的近紅外太陽(yáng)光不能很好地被利用。 有文獻(xiàn)報(bào)道將上轉(zhuǎn)換材料和晶體硅太陽(yáng)電池組合，在外量子效率上體現(xiàn)出了一定的效果。 而實(shí)際上，對(duì)于薄膜太陽(yáng)電池，應(yīng)用上轉(zhuǎn)換材料的潛力更大。比如非晶硅薄膜太陽(yáng)電池 其吸收的峰位在550咖，其吸收限也只能是到700咖。
為此，設(shè)想把現(xiàn)有電池不能吸收的光子"變成"能吸收的光子，通過(guò)上轉(zhuǎn)換材料把 至少兩個(gè)低能量光子轉(zhuǎn)換為一個(gè)高能量光子。適當(dāng)?shù)纳限D(zhuǎn)換材料，將可使前述的不能被 電池吸收的光子"變成"能被電池吸收的光子。然而目前這種上轉(zhuǎn)換材料主要應(yīng)用于生 物標(biāo)識(shí)和激光器方面，還沒(méi)有在薄膜太陽(yáng)電池上應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是，提供一種針對(duì)現(xiàn)有光伏太陽(yáng)電池對(duì)太陽(yáng)光譜域近紅 外光無(wú)法吸收利用的情況下，將上轉(zhuǎn)換材料用到光伏太陽(yáng)電池中，從而提高電池對(duì)太陽(yáng) 光譜的響應(yīng)范圍，以進(jìn)一步提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率的具有上轉(zhuǎn)換材料的太陽(yáng)電池及其 制備方法。
本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是 一種具有上轉(zhuǎn)換材料的太陽(yáng)電池及其制備方法。其中 具有上轉(zhuǎn)換材料的太陽(yáng)電池，包括有薄膜太陽(yáng)電池、上轉(zhuǎn)換器件和背反射層，所述的薄 膜太陽(yáng)電池、上轉(zhuǎn)換器件和背反射層通過(guò)乙烯-醋酸乙烯共聚物封裝材料，依次結(jié)合在一 起構(gòu)成密封式電池整體。
所述的薄膜太陽(yáng)電池為非晶硅薄膜太陽(yáng)電池。
所述的上轉(zhuǎn)換器件是由實(shí)現(xiàn)將近紅外光譜轉(zhuǎn)換為可見(jiàn)光的呈現(xiàn)粉末態(tài)物質(zhì)、或玻璃 態(tài)物質(zhì)、或薄膜態(tài)物質(zhì)，其化學(xué)組成可以為氧化物、或鹵化物、或硫化物的材料與低溫 固化材料的混合物。
所述的低溫固化材料是聚二甲基硅氧烷，或環(huán)氧樹(shù)脂。
所述的背反射層是一層或一層以上的，由能反射光的金屬、或氧化物、或金屬與氧 化物的組合物構(gòu)成的薄膜。
本發(fā)明的具有上轉(zhuǎn)換材料的太陽(yáng)電池的制備方法，包括有如下階段
(一) 采用常規(guī)方法制備薄膜太陽(yáng)電池；
(二) 制備上轉(zhuǎn)換器件；
(三) 制備背反射層；
(四) 將上述三個(gè)階段所得材料依次結(jié)合在一起制成具有上轉(zhuǎn)換材料的太陽(yáng)電池。 第二階段所述的制備上轉(zhuǎn)換器件包括如下步驟
(1) 選用商業(yè)用上轉(zhuǎn)換材料或通過(guò)水熱技術(shù)合成的上轉(zhuǎn)換材料，具體可采用呈現(xiàn)粉 末態(tài)物質(zhì)、或玻璃態(tài)物質(zhì)、或薄膜態(tài)物質(zhì)，其物質(zhì)的化學(xué)組成可以是氧化物、或鹵化物、 或硫化物，其制備的方法可以是采用化學(xué)或物理方法；其上轉(zhuǎn)換材料的功能可以實(shí)現(xiàn)將
太陽(yáng)光譜長(zhǎng)波段的光轉(zhuǎn)換為可見(jiàn)光；
(2) 將上轉(zhuǎn)換材料粉末和低溫固化材料采用機(jī)械攪拌方法混合成膠狀混合物，再通 過(guò)模具和控制原材料的用量獲得上轉(zhuǎn)換薄層，其厚度為O. 01-0. 5cm;或?qū)⑸限D(zhuǎn)換材料粉 末直接壓成厚度為O. 01-0. 5cm的固體薄片。
所述的低溫固化材料，是能夠有效的將粉末狀的上轉(zhuǎn)換材料低溫固化為固體的聚二 甲基硅氧烷或環(huán)氧樹(shù)脂。
第三階段所述的制備背反射層具體是在襯底上采用熱蒸發(fā)或電子束蒸發(fā)制造技術(shù)， 或?yàn)R射制造技術(shù)沉積具有不同折射率的、起有效背反射作用的金屬或氧化物組合的復(fù)合 背反射層，其材料可以為Al或Ag， g卩，是能將由上轉(zhuǎn)換材料轉(zhuǎn)換的可見(jiàn)光有效地反射， 使其返回到電池中的能反射光的材料，所述的襯底是柔性薄片，包括玻璃或鋁或金屬薄 片。
第四階段所述的制成密封式具有上轉(zhuǎn)換材料的太陽(yáng)電池是采用乙烯-醋酸乙烯共聚 物封裝材料，將上述三個(gè)階段制得的薄膜太陽(yáng)電池、上轉(zhuǎn)換器件和背反射層依次結(jié)合在 一起制成密封式具有上轉(zhuǎn)換材料的太陽(yáng)電池。
本發(fā)明的具有上轉(zhuǎn)換材料的太陽(yáng)電池及其制備方法，針對(duì)不同結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)電池采用 不同的組合方法，將具有上轉(zhuǎn)換功能的材料應(yīng)用到太陽(yáng)電池中，進(jìn)一步提高電池吸收太 陽(yáng)光譜的譜域，從而進(jìn)一步提高太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率。即，針對(duì)太陽(yáng)光譜的充分利 用，在現(xiàn)有薄膜太陽(yáng)電池已經(jīng)利用了一定范圍的太陽(yáng)光譜基礎(chǔ)上，充分利用上轉(zhuǎn)換材料 的功能，將寬譜域紅外上轉(zhuǎn)換為可見(jiàn)光，將薄膜太陽(yáng)電池與該具有上轉(zhuǎn)換功能的材料相 結(jié)合，形成一種新型高效太陽(yáng)電池。


圖1是本發(fā)明的具有上轉(zhuǎn)換材料的太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)示意圖2是具有上轉(zhuǎn)換材料的非晶硅薄膜太陽(yáng)電池和沒(méi)有上轉(zhuǎn)換材料的非晶硅太陽(yáng)電池 的1-V特性測(cè)試結(jié)果；
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明的具有上轉(zhuǎn)換材料的太陽(yáng)電池及其制備方法做出 詳細(xì)說(shuō)明。
如圖1所示，本發(fā)明的具有上轉(zhuǎn)換材料的太陽(yáng)電池，包括有薄膜太陽(yáng)電池1、上轉(zhuǎn)換 器件2和背反射層3，所述的薄膜太陽(yáng)電池l、上轉(zhuǎn)換器件2和背反射層3通過(guò)乙烯-醋 酸乙烯共聚物(EVA)封裝材料，依次結(jié)合在一起構(gòu)成密封式電池整體。
在上述的具有上轉(zhuǎn)換材料的太陽(yáng)電池中，所述的薄膜太陽(yáng)電池1為非晶硅薄膜太陽(yáng) 電池；所述的上轉(zhuǎn)換器件2是由實(shí)現(xiàn)將近紅外光譜轉(zhuǎn)換為可見(jiàn)光的呈現(xiàn)粉末態(tài)物質(zhì)、或 玻璃態(tài)物質(zhì)、或薄膜態(tài)物質(zhì)，其化學(xué)組成可以為氧化物、或鹵化物、或硫化物的材料與 低溫固化材料的混合物；所述的低溫固化材料是聚二甲基硅氧垸(PDMS)，或環(huán)氧樹(shù)脂； 所述的背反射層3是一層或一層以上的，由能反射光的金屬、或氧化物、或金屬與氧化 物的組合物構(gòu)成的薄膜。
本發(fā)明的具有上轉(zhuǎn)換材料的太陽(yáng)電池的制備方法，包括有如下階段
(一) 采用常規(guī)方法制備薄膜太陽(yáng)電池，這里所述的薄膜太陽(yáng)電池是非晶硅薄膜太 陽(yáng)電池；
(二) 制備上轉(zhuǎn)換器件，包括如下步驟
(1) 選用商業(yè)用上轉(zhuǎn)換材料或通過(guò)水熱等技術(shù)合成上轉(zhuǎn)換材料，具體可采用呈現(xiàn)粉 末態(tài)物質(zhì)、或玻璃態(tài)物質(zhì)、或薄膜態(tài)物質(zhì)，其物質(zhì)的化學(xué)組成可以是氧化物、或鹵化物、 或硫化物，其制備的方法可以是采用化學(xué)或物理方法。其上轉(zhuǎn)換材料的功能可以實(shí)現(xiàn)將 太陽(yáng)光譜長(zhǎng)波段的光轉(zhuǎn)換為可見(jiàn)光；
(2) 將上轉(zhuǎn)換材料粉末和低溫固化材料采用機(jī)械攪拌方法混合成膠狀混合物，再通 過(guò)模具和控制原材料的用量來(lái)獲得上轉(zhuǎn)換薄層，其厚度為O. 01-0. 5cm;或?qū)⑸限D(zhuǎn)換材料 粉末直接壓成厚度為0.01-0.5cm的固體薄片。所述的低溫固化材料，是能夠有效的將粉 末狀的上轉(zhuǎn)換材料低溫固化為固體的聚二甲基硅氧烷或環(huán)氧樹(shù)脂。
(三) 制備背反射層，具體如下
是在襯底上采用熱蒸發(fā)或電子束蒸發(fā)制造技術(shù)，或?yàn)R射制造技術(shù)沉積具有不同折射 率的、起有效背反射作用的金屬或氧化物組合的復(fù)合背反射層，其材料可以為Al或Ag， 即，是能將由上轉(zhuǎn)換材料轉(zhuǎn)換的可見(jiàn)光有效地反射，使其返回到電池中的能反射光的材 料，所述的襯底是柔性薄片，包括玻璃或鋁或金屬薄片。
(四) 將上述三個(gè)階段所得材料依次結(jié)合在一起制成具有上轉(zhuǎn)換材料的太陽(yáng)電池， 具體如下
是采用乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)封裝材料，將上述三個(gè)階段制得的薄膜太陽(yáng)電
池、上轉(zhuǎn)換器件和背反射層依次結(jié)合在一起制成密封式具有上轉(zhuǎn)換材料的太陽(yáng)電池。
圖2所示，是具有上轉(zhuǎn)換材料的非晶硅薄膜太陽(yáng)電池和沒(méi)有上轉(zhuǎn)換材料的非晶硅太 陽(yáng)電池的I-V特性測(cè)試結(jié)果圖，其中a是應(yīng)用上轉(zhuǎn)換材料的非晶硅薄膜太陽(yáng)電池的參數(shù) 曲線；b是非晶硅太陽(yáng)電池的參數(shù)曲線。
實(shí)例l:
(一) 采用常規(guī)方法制備非晶硅薄膜太陽(yáng)電池；
(二) 制備上轉(zhuǎn)換器件，包括如下步驟
(1) 選用商業(yè)用呈現(xiàn)粉末態(tài)物質(zhì)NaYF4:Er作為可以將太陽(yáng)光譜長(zhǎng)波段近紅外光轉(zhuǎn)換 為可見(jiàn)光的上轉(zhuǎn)換材料。
(2) 將上轉(zhuǎn)換材料粉末和聚二甲基硅氧垸采用機(jī)械攪拌方法混合成膠狀混合物，再 通過(guò)模具和控制混合成的膠狀混合物的用量制成厚度為0.1cm的上轉(zhuǎn)換薄層；
(三) 制備背反射層，具體如下
是在玻璃襯底上采用熱蒸發(fā)制造技術(shù)沉積具有背反射作用的A1的復(fù)合背反射層；
(四) 采用乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)封裝材料，將上述三個(gè)階段分別制得的硅 薄膜太陽(yáng)電池、上轉(zhuǎn)換器件和背反射層依次粘合在一起并封裝制成密封式具有上轉(zhuǎn)換材 料的硅薄膜太陽(yáng)電池。
實(shí)例2
(一) 采用常規(guī)方法制備非晶硅薄膜太陽(yáng)電池；
(二) 制備上轉(zhuǎn)換器件，包括如下步驟
(1) 選用商業(yè)用呈現(xiàn)粉末態(tài)物質(zhì)NaYF4:Er作為可以將太陽(yáng)光譜長(zhǎng)波段近紅外光轉(zhuǎn)換 為可見(jiàn)光的上轉(zhuǎn)換材料。
(2) 將上轉(zhuǎn)換材料粉末直接壓成厚度為0.2cm的固體薄片；
(三) 制備背反射層，具體如下
是在玻璃襯底上采用熱蒸發(fā)制造技術(shù)沉積具有背反射作用的A1的復(fù)合背反射層；
(四) 采用乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)封裝材料，將上述三個(gè)階段分別制得的硅 薄膜太陽(yáng)電池、上轉(zhuǎn)換器件和背反射層依次粘合在一起并封裝制成密封式具有上轉(zhuǎn)換材 料的硅薄膜太陽(yáng)電池。
權(quán)利要求
1.一種具有上轉(zhuǎn)換材料的太陽(yáng)電池，其特征在于，包括有薄膜太陽(yáng)電池(1)、上轉(zhuǎn)換器件(2)和背反射層(3)，所述的薄膜太陽(yáng)電池(1)、上轉(zhuǎn)換器件(2)和背反射層(3)通過(guò)乙烯-醋酸乙烯共聚物封裝材料，依次結(jié)合在一起構(gòu)成密封式電池整體。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的具有上轉(zhuǎn)換材料的太陽(yáng)電池，其特征在于，所述的薄膜太 陽(yáng)電池(1)為非晶硅薄膜太陽(yáng)電池。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的具有上轉(zhuǎn)換材料的太陽(yáng)電池，其特征在于，所述的上轉(zhuǎn)換 器件(2)是由實(shí)現(xiàn)將近紅外光譜轉(zhuǎn)換為可見(jiàn)光的呈現(xiàn)粉末態(tài)物質(zhì)、或玻璃態(tài)物質(zhì)、或薄 膜態(tài)物質(zhì)，其化學(xué)組成可以為氧化物、或鹵化物、或硫化物的材料與低溫固化材料的混 合物。
4. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的具有上轉(zhuǎn)換材料的太陽(yáng)電池，其特征在于，所述的低溫固 化材料是聚二甲基硅氧垸，或環(huán)氧樹(shù)脂。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的具有上轉(zhuǎn)換材料的太陽(yáng)電池，其特征在于，所述的背反射 層(3)是一層或一層以上的，由能反射光的金屬、或氧化物、或金屬與氧化物的組合物 構(gòu)成的薄膜。
6. —種權(quán)利要求l所述的具有上轉(zhuǎn)換材料的太陽(yáng)電池的制備方法，其特征在于，包 括有如下階段(一) 采用常規(guī)方法制備薄膜太陽(yáng)電池；(二) 制備上轉(zhuǎn)換器件；(三) 制備背反射層；(四) 將上述三個(gè)階段所得材料依次結(jié)合在一起制成具有上轉(zhuǎn)換材料的太陽(yáng)電池。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的具有上轉(zhuǎn)換材料的太陽(yáng)電池的制備方法，其特征在于，第 二階段所述的制備上轉(zhuǎn)換器件包括如下步驟(1) 選用商業(yè)用上轉(zhuǎn)換材料或通過(guò)水熱技術(shù)合成的上轉(zhuǎn)換材料，具體可采用呈現(xiàn)粉 末態(tài)物質(zhì)、或玻璃態(tài)物質(zhì)、或薄膜態(tài)物質(zhì)，其物質(zhì)的化學(xué)組成可以是氧化物、或鹵化物、 或硫化物，其制備的方法可以是采用化學(xué)或物理方法；其上轉(zhuǎn)換材料的功能可以實(shí)現(xiàn)將 太陽(yáng)光譜長(zhǎng)波段的光轉(zhuǎn)換為可見(jiàn)光；(2) 將上轉(zhuǎn)換材料粉末和低溫固化材料采用機(jī)械攪拌方法混合成膠狀混合物，再通 過(guò)模具和控制原材料的用量獲得上轉(zhuǎn)換薄層，其厚度為O. 01-0. 5cm;或?qū)⑸限D(zhuǎn)換材料粉 末直接壓成厚度為O. 01-0. 5cm的固體薄片。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的具有上轉(zhuǎn)換材料的太陽(yáng)電池的制備方法，其特征在于，所 述的低溫固化材料，是能夠有效的將粉末狀的上轉(zhuǎn)換材料低溫固化為固體的聚二甲基硅 氧烷或環(huán)氧樹(shù)脂。
9. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的具有上轉(zhuǎn)換材料的太陽(yáng)電池的制備方法，其特征在于，第 三階段所述的制備背反射層具體是在襯底上采用熱蒸發(fā)或電子束蒸發(fā)制造技術(shù)，或?yàn)R射制造技術(shù)沉積具有不同折射率的、起有效背反射作用的金屬或氧化物組合的復(fù)合背反 射層，其材料可以為Al或Ag，即，是能將由上轉(zhuǎn)換材料轉(zhuǎn)換的可見(jiàn)光有效地反射，使其返回到電池中的能反射光的材料，所述的襯底是柔性薄片，包括玻璃或鋁或金屬薄片。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的具有上轉(zhuǎn)換材料的太陽(yáng)電池的制備方法，其特征在于，第 四階段所述的制成密封式具有上轉(zhuǎn)換材料的太陽(yáng)電池是采用乙烯-醋酸乙烯共聚物封裝 材料，將上述三個(gè)階段制得的薄膜太陽(yáng)電池、上轉(zhuǎn)換器件和背反射層依次結(jié)合在一起制 成密封式具有上轉(zhuǎn)換材料的太陽(yáng)電池。
全文摘要
一種具有上轉(zhuǎn)換材料的太陽(yáng)電池及其制備方法。太陽(yáng)電池，包括有薄膜太陽(yáng)電池、上轉(zhuǎn)換器件和背反射層，薄膜太陽(yáng)電池、上轉(zhuǎn)換器件和背反射層通過(guò)乙烯-醋酸乙烯共聚物封裝材料，依次結(jié)合在一起構(gòu)成密封式電池整體。薄膜太陽(yáng)電池為非晶硅薄膜太陽(yáng)電池。上轉(zhuǎn)換器件是由實(shí)現(xiàn)將近紅外光譜轉(zhuǎn)換為可見(jiàn)光的呈現(xiàn)粉末態(tài)物質(zhì)、或玻璃態(tài)物質(zhì)、或薄膜態(tài)物質(zhì)。制備方法采用常規(guī)方法制備薄膜太陽(yáng)電池；制備上轉(zhuǎn)換器件；制備背反射層；將上述三個(gè)階段所得材料依次結(jié)合在一起制成具有上轉(zhuǎn)換材料的太陽(yáng)電池。本發(fā)明能夠進(jìn)一步提高太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率。充分利用上轉(zhuǎn)換材料的功能，將寬譜域紅外上轉(zhuǎn)換為可見(jiàn)光，將薄膜太陽(yáng)電池與該具有上轉(zhuǎn)換功能的材料相結(jié)合，形成一種新型高效太陽(yáng)電池。
文檔編號(hào)H01L31/20GK101369609SQ200810152280
公開(kāi)日2009年2月18日 申請(qǐng)日期2008年10月10日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月10日
發(fā)明者張曉丹, 熊紹珍, 耿新華, 寧 蔡, 穎 趙 申請(qǐng)人:南開(kāi)大學(xué)