專利名稱：納米金字塔陷光結(jié)構(gòu)的近紅外量子剪裁薄膜的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于太陽能電池領(lǐng)域，尤其是涉及ー種能夠?qū)崿F(xiàn)提高硅太陽電池效率的具有納米金字塔陷光結(jié)構(gòu)的高效近紅外量子剪裁下轉(zhuǎn)換發(fā)光的稀土摻雜薄膜及其制備エ藝。
背景技術(shù)：
太陽能電池光伏發(fā)電是一種清潔、安全的可再生能源，由于受到原理、結(jié)構(gòu)以及材料等諸多方面的限制，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)太陽能電池效率的提升面臨著重大挑戰(zhàn)。由于硅太陽電池將長期處于統(tǒng)治地位，因此開展提高硅太陽電池對(duì)光的利用效率的研究具有極其重要的意義。硅具有高的折射率，一般在裸硅表面太陽光的反射率達(dá)到了 30%以上，使得從紫外到近紅外大量的光被反射棹，入射到太陽能電池內(nèi)部的光子數(shù)減少，造成光生載流子數(shù)減少，迸而降低了電池的光電轉(zhuǎn)換效率。同時(shí)由于受到半導(dǎo)體硅帶隙的制約作用，大約有30%的太陽光輻射能量因熱損失而浪費(fèi)，這也成為制約太陽電池效率提高的瓶頸之一。即當(dāng)電池吸收高能光子產(chǎn)生“熱”載流子，“熱”載流子弛豫導(dǎo)帶底或價(jià)帶頂，這部分能量以晶格熱的形式損失，即為熱損失。將同時(shí)具有減反陷光結(jié)構(gòu)和量子剪裁下轉(zhuǎn)換效應(yīng)的材料與太陽電池耦合，通過減少硅太陽電池表面反射并對(duì)太陽光譜進(jìn)行調(diào)制以實(shí)現(xiàn)減少載流子的熱損失，提高太陽電池效率。減少硅太陽電池表面反射是提高太陽電池效率的ー種重要方法。最近證明具有周期性結(jié)構(gòu)小于入射光波長(子波長SiAwavelength)的納米結(jié)構(gòu)是ー種很好的減反陷光結(jié)構(gòu)。但這種子波長結(jié)構(gòu)的制備常需要比較復(fù)雜的エ藝，如納米平版印刷術(shù) (nanolithography)自掩模等離子體刻蝕(selfmasking plasma etching)及聚合物復(fù)制 (polymer replication)等方法。近紅外量子剪裁下轉(zhuǎn)換材料的研究在最近幾年取得了豐富的成果，在大量的材料中都觀察到了近紅外量子剪裁現(xiàn)象。但是現(xiàn)在人們對(duì)下轉(zhuǎn)換材料的研究還主要處于粉體，由于粉體對(duì)入射光散射嚴(yán)重，透明性差，限制了其在太陽電池上的實(shí)際應(yīng)用。我們通過一歩方法制備了同時(shí)具有近紅外量子剪裁下轉(zhuǎn)換及納米金字塔陷光結(jié)構(gòu)薄膜，其エ藝簡單且與硅太陽電池エ藝相兼容。因此該材料在降低硅太陽電池表面反射及熱化效應(yīng)、提高光電轉(zhuǎn)換效率方面具有重要應(yīng)用價(jià)值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種同時(shí)具有納米子波長陷光減反結(jié)構(gòu)及下轉(zhuǎn)換發(fā)光薄膜材料及其制備方法。一種能有效提高硅基太陽能電池的工作效率的具有納米子波長陷光結(jié)構(gòu)的紅外量子剪裁薄膜材料，其特征在于(ι)薄膜具有納米金字塔陷光結(jié)構(gòu)，(2)薄膜能實(shí)現(xiàn)近紅外量子剪裁，( 該薄膜制備エ藝簡單且與硅太陽電池相兼容。本發(fā)明所提供的一種能有效提高硅基太陽能電池的工作效率的同時(shí)具有納米金字塔陷光減反結(jié)構(gòu)和量子剪裁下轉(zhuǎn)換效應(yīng)的材料制備方法，包括以下步驟(1)在Y2O3粉體中摻入適量Bi2O3和Yb2O3粉體，其中Bi2O3粉體摩爾分?jǐn)?shù)為0.25 1%，％203粉體摩爾分?jǐn)?shù)為0.5 5%，然后球磨混合，80°C烘干。將烘干后的粉體放置于磨具中，在15MI^下壓10分鐘，得到直徑為2cm，厚度為5mm的圓片，將此圓片在 IlOO0C -1300°C煅燒20-24h，制成陶瓷靶材。(2)采用步驟(1)制成的IO3 = BiJb陶瓷靶材，利用激光脈沖沉積方法，制備薄膜材料以硅片為襯底，通入O2，襯底溫度為500 800°C，靶基距為6 8cm，工作氣壓為3 7Pa，激光能量為200 400mJ/脈沖。上述襯底溫度優(yōu)選700°C，靶基距8cm，工作氣壓為 5Pa，激光能量為350mJ/脈沖。該薄膜具有的納米金字塔結(jié)構(gòu)能有效實(shí)現(xiàn)減反陷光作用，并且該薄膜能有效吸收 300-400nm紫外光，經(jīng)量子剪裁過程，發(fā)射出兩個(gè)能被硅基吸收的紅外光子。將該薄膜沉積在硅太陽電池上表面，能有效減少硅表面太陽電池反射，同時(shí)降低硅太陽電池的熱化效應(yīng)， 提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率。相對(duì)于現(xiàn)有技木，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)和有益效果(1)本發(fā)明的具有納米金字塔陷光結(jié)構(gòu)的近紅外量子剪裁薄膜能同時(shí)實(shí)現(xiàn)減反陷光及量子剪裁作用。(2)本發(fā)明提供的ー種具有納米金字塔陷光結(jié)構(gòu)的近紅外量子剪裁薄膜其平均反射率由裸硅表面35%降低到15.8%，且其エ藝簡単。(2)利用本發(fā)明提供ー種具有納米金字塔陷光結(jié)構(gòu)的近紅外量子剪裁薄膜制備エ 藝與硅太陽電池エ藝兼容，可以有效提高目硅基太陽能電池轉(zhuǎn)換效率。硅具有高的折射率， 一般在裸硅表面太陽光的反射率達(dá)到了 30%以上，使得大量的太陽光被反射棹，入射到電池內(nèi)部的光子數(shù)減少，光生載流子數(shù)也隨之減少，降低了短路電流，從而電池的光電轉(zhuǎn)換效率降低。目前硅太陽電池的極限效率為30%，硅的能帶隙位于IOOOnm左右，與本發(fā)明中所提供的紅外量子剪裁材料所發(fā)射的光波長匹配。因此，如果將此種同時(shí)具有納米金字塔減反陷光及紅外量子剪裁功能的薄膜直接沉積在硅太陽能電池的表面，能有效改善目前太陽能電池工作效率低的狀況。


圖1為實(shí)施例1制備的Y2O3 = Bi, Yb陶瓷靶材的XRD圖譜；圖2為實(shí)施例1制備的Y2O3 Bi，Yb薄膜的XRD圖譜；圖3為實(shí)施例1制備的Y2O3:Bi，Yb薄膜的表面SEM圖；圖4為實(shí)施例1制備的Y2O3:Bi，Yb薄膜斷面SEM圖；圖5為實(shí)施例1制備的Y203:Bi，Yb薄膜的反射譜；圖6實(shí)施例1制備的Y2O3:Bi，Yb薄膜在976nm波長監(jiān)控下的激發(fā)光譜圖；圖7為實(shí)施例1制備的Y203:B1，Yb薄膜在331nm波長激發(fā)下的發(fā)射光譜圖；
圖8為實(shí)施例2制備的Y2O3 Bi，Yb薄膜的XRD圖譜；圖9為實(shí)施例2制備的Y2O3:Bi，Yb薄膜的表面SEM圖；圖10為實(shí)施例2制備的Y203:Bi，Yb薄膜的反射譜；圖11為實(shí)施例3制備Y2O3:Bi, Yb薄膜的表面SEM圖。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明制備的薄膜與硅太陽電池耦合，減少硅太陽電池表面反射，同時(shí)降低硅太陽電池的熱化效應(yīng)，提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率?？赏_發(fā)成為ー種新型的同時(shí)具有高效減反陷光及近紅外量子剪裁下轉(zhuǎn)換發(fā)光材料，在太陽電池領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。實(shí)施例1(1)在Y2O3粉體中摻入適量的Bi2O3和Yb2O3的粉體，其中Bi2O3粉體摩爾分?jǐn)?shù)為 0.5%, Yb2O3粉體摩爾分?jǐn)?shù)為2.5%，然后球磨混合，80°C烘干。將烘干后的粉體放置于磨具中，在15MPa下壓10分鐘，得到直徑為2cm，厚度為5mm的圓片，將此圓片在1100°C煅燒 Mh，制成陶瓷靶材。其陶瓷靶材的XRD圖譜(見圖1)完全符合Y2O3PDF 41-1105衍射標(biāo)準(zhǔn)
■i並 レ曰ο(2)采用步驟(1)制成的Y203:Bi，Yb陶瓷靶材，利用激光脈沖沉積方法，以硅片為襯底，通入純度為99. 999%的02，襯底溫度為700°C，靶基距為8cm，工作氣壓為5Pa，激光能量為350mJ/脈沖，沉積時(shí)間為60min。得到純相も03薄膜，其XRD圖譜見圖2。通過SEM測試發(fā)現(xiàn)所制備的薄膜表面具有納米金字塔結(jié)構(gòu)(見圖3，4)，進(jìn)ー步通過紫外到近紅外反射譜測試發(fā)現(xiàn)這種具有納米金字塔結(jié)構(gòu)的薄膜具有良好的減反陷光作用，其400-900nm平均反射率為15. 8%，較裸硅表面35%的平均反射率有較大的降低(見圖5)。用FLS920熒光光譜儀在331nm激發(fā)條件下測量室溫發(fā)射譜，觀察到對(duì)應(yīng)于％3+:2F5/2 - 2F772躍遷的量子剪裁近紅外光發(fā)射帶(中心波長為976nm)，能有效降低硅太陽電池?zé)峄?yīng)、提高光電轉(zhuǎn)換效率。實(shí)施例2在Y2O3粉體中摻入適量的Bi2O3和Yb2O3的粉體，其中Bi2O3粉體摩爾分?jǐn)?shù)為1 %， %203粉體摩爾分?jǐn)?shù)為0. 5%，然后球磨混合，80°C烘干。將烘干后的粉體放置于磨具中，在 15MPa下壓10分鐘，得到直徑為2cm，厚度為5mm的圓片，將此圓片在1200°C煅燒20h，制成陶瓷靶材。其陶瓷靶材的XRD圖譜完全符合103PDF41-1105衍射標(biāo)準(zhǔn)譜。(2)采用步驟(1)制成的Y203:Bi，Yb陶瓷靶材，利用激光脈沖沉積方法，以硅片為襯底，通入純度為99. 999%的02，襯底溫度為800°C，靶基距為5cm，工作氣壓為3Pa，激光能量為400mJ/脈沖，沉積時(shí)間為60min。所得薄膜的XRD圖譜見圖8。通過SEM測試發(fā)現(xiàn)所制備的薄膜表面具有納米金字塔結(jié)構(gòu)(見圖9)，進(jìn)ー步通過紫外到近紅外反射譜測試發(fā)現(xiàn)這種具有納米金字塔結(jié)構(gòu)的薄膜具有良好的減反陷光作用(見圖10)。用FLS920熒光光譜儀在331nm激發(fā)條件下測量室溫發(fā)射譜，觀察到對(duì)應(yīng)于％3+:2F5/2 - 2F772躍遷的量子剪裁近紅外光發(fā)射帶(中心波長為976nm)。經(jīng)測量其量子效率超過152%。實(shí)施例3(1)在Y2O3粉體中加入Bi2O3粉體和Yb2O3的粉體，其中Bi2O3粉體摩爾分?jǐn)?shù)為 0. 25%, %203粉體摩爾分?jǐn)?shù)為5%，然后球磨混合，80°C烘干。將烘干后的粉體放置于磨具中，在15MPa下壓10分鐘，得到直徑為2cm，厚度為5mm的圓片，將此圓片在1300°C煅燒20h， 制成陶瓷靶材。(2)采用步驟(1)制成的Y203:Bi，Yb陶瓷靶材，利用激光脈沖沉積方法，以硅片為襯底，通入純度為99. 999%的02，襯底溫度為500°C，靶基距為6cm，工作氣壓為7Pa，激光能量為200mJ/脈沖，沉積時(shí)間為60min。其表面具有納米金字塔結(jié)構(gòu)(如圖11)，此具有納米金字塔結(jié)構(gòu)的薄膜具有良好的減反陷光作用。用FLS920熒光光譜儀在331nm激發(fā)條件下測量室溫發(fā)射譜，觀察到對(duì)應(yīng)于％3+:2F5/2 - 2F772躍遷的量子剪裁近紅外光發(fā)射帶(中心波長為 976nm)。
權(quán)利要求
1.納米金字塔陷光結(jié)構(gòu)的近紅外量子剪裁薄膜的制備方法，其特征在干，包括以下步驟(1)在Y2O3粉體中加入Bi2O3粉體和％203粉體，其中Bi2O3粉體摩爾分?jǐn)?shù)為0.25 1%， Yb2O3粉體摩爾分?jǐn)?shù)為0. 5 5%，然后球磨混合，80°C烘干。將烘干后的粉體放置于磨具中， 在15MPa下壓10分鐘，得到直徑為2cm，厚度為5mm的圓片，將此圓片在1100°C -1300°C煅燒20-24h，制成陶瓷靶材；(2)采用步驟⑴制成的^)3:BiJb陶瓷靶材，利用激光脈沖沉積方法，制備薄膜材料 以硅片為襯底，通入O2，襯底溫度為500 800°C，靶基距為6 8cm，工作氣壓為3 7Pa， 激光能量為200 400mJ/脈沖。
2.按照權(quán)利要求1所述的納米金字塔陷光結(jié)構(gòu)的近紅外量子剪裁薄膜的制備方法，其特征在干，步驟(2)襯底溫度為700°C，靶基距8cm，工作氣壓為5Pa，激光能量為350mJ/脈沖。
全文摘要
納米金字塔陷光結(jié)構(gòu)的近紅外量子剪裁薄膜的制備方法屬于太陽能電池領(lǐng)域。該薄膜同時(shí)具有減反陷光及近紅外量子剪裁下轉(zhuǎn)換作用。薄膜的材料組成為Y2O3、Bi2O3和Yb2O3，其中Bi2O3摩爾分?jǐn)?shù)為0.25～1％，Yb2O3摩爾分?jǐn)?shù)為0.5～5％。制備方法是在Y2O3粉體中加入Bi2O3粉體和Yb2O3的粉體，球磨混合，80℃烘干。將烘干后的粉體放置于磨具中，在15MPa下壓10分鐘，得到直徑為2cm，厚度為5mm的圓片，將此圓片在1100℃-1300℃煅燒20-24h，制成陶瓷靶材。；利用激光脈沖沉積方法，以硅片為襯底，通入O2，襯底溫度為500～800℃，靶基距為6～8cm，工作氣壓為3～7Pa，激光能量為200～400mJ/脈沖。該薄膜在紫外光到近紅外具有良好的減反陷光作用，且在紫外光激發(fā)下能實(shí)現(xiàn)高效的近紅外量子剪裁下轉(zhuǎn)換發(fā)光，有望降低硅太陽電池表面的反射及熱化效應(yīng)，提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率。
文檔編號(hào)H01L31/18GK102569515SQ20121000229
公開日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2012年1月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月5日
發(fā)明者嚴(yán)輝, 侯育冬, 劉晶冰, 宋雪梅, 張銘, 曲銘浩, 朱滿康, 汪浩, 王如志, 王波 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)