[发明专利]太阳能电池用量子点光波长转换层

说明书

技术领域

本发明涉及一种含有三元合金量子点的波长转换层以及这种量子点波长转换层三元合金量子点在太阳能电池中的用途。

背景技术

全球科技与经济活动快速发展，致使人类能源需求激增，未来能源不足现象已浮现。化石燃料使用及排放对环境的污染更是已成为世界各国不容忽视的重大问题。取之不尽、用之不竭的太阳能是一种清洁、可再生的绿色环保能源。太阳能发电技术有利于净化环境、减少污染，是人类从根本上解决能源问题的重要途径。然而，太阳能电池的光电转换效率偏低，发电成本过高，称为制约太阳能电力广泛应用的瓶颈。其根本原因在于硅的光谱响应特性与太阳光谱分布不匹配。如图1所示：太阳光是由可见光、紫外光和红外光组成的辐射光，其光谱构成波长范围为280纳米(nm)～2500nm。晶体硅为间接带隙半导体，并非理想的太阳能电池材料。其带隙宽度为1.1电子伏特(eV)，截至吸收波长为1120nm，最大的光谱响应在600nm-980nm范围，而对太阳其他波段的光有非常低的响应或者无响应，造成很大的能量损失。因此，为了提高太阳能电池的发电效率，将浪费的太阳光转移到硅高响应率的可见光范围是弥补硅作为太阳能电池材料的局限性的一种有效的方式。

一些研究人员提出了利用荧光材料(例如有机发光分子、有机金属络合物和无机稀土材料)将太阳光波长转换到与硅的最高光谱相应范围，从而提高太阳能电池的能量转换效率。日本科学家们在专利JP2001352091中和JP2000327715中分别提出利用有机荧光染料分子和有机金属络合物作为波长转换剂来提高太阳能电池的效率，然而，有机发光分子和有机金属络合物等基于有机材料天生易老化的缺陷，其耐紫外，耐热，耐候性都非常差，在太阳能电池工作的恶劣室外条件下非常容易老化，不仅本身很快失去了发光的效用，而且更加速了引发了太阳能电池组件的的老化和失效。无机稀土材料虽然能够克服有机材料的易老化缺陷，但是目前已研究出的的若干无机稀土荧光材料，或者吸收或荧光效率极低，或者吸收发射光谱与太阳光谱不匹配，都不适合用于太阳能电池的波长转换。例如镧系稀土离子掺杂的卤化物和氟化物荧光粉，目前主要用在显示器上，其吸收峰在100nm附近的深紫外波段，远远超出了太阳能光谱的范围。Shalav等在APPLIED PHYSICS LETTERS 86，013505(2005)中提出用掺铒的氟化物作为荧光上转换剂提高太阳能电池的效率，但是，荧光上转换是非线性的光学过程，吸收几率和光转换的量子效率都很小。而且这些无机荧光粉粒径太大，严重影响了太阳能电池表面层的透光性，反而会进一步降低太阳能电池的能量转换效率。近年来，WO2007133344和CN101188255公开了纳米尺度的稀土无机颗粒作为太阳能电池的光转换剂，但是并没有解决吸收几率、荧光效率偏低的缺点和太阳光谱不匹配的问题。

量子点(quantum dot，QD)又可称为半导体纳米微晶体，是一种由II-VI族或III-V族元素组成的纳米颗粒。量子点由于粒径很小(约1～100nm)，电子和空穴被量子限域，连续能带变成具有分子特性的分立能级结构，因此具有不同于其相应的体相和分子态的独特的物理和化学性质。相对于传统的有机荧光染料，荧光半导体纳米量子点具有连续的吸收光谱，窄而对称的荧光发射光谱、优良的光稳定性、较高的发光效率以及在整个可见光范围连续可调的发光波长。这些特点使得量子点更适合于转换太阳能光谱的波长以提高太阳能电池的转换效率。量子点的光吸收和荧光特征可以由其体积大小和组成材料来控制，可获得多种可分辨的颜色。WO2008046147和WO2008079437公开了用量子点作为太阳电池的波长转换剂，却没不能给出任何实例。KR2006080437、US2006016997、和CN101101930和WO2008079437也分别公开了量子点作为太阳电池的波长转换剂，其中所使用的量子点都是II-VI族或III-V族元素组成的两元量子点。两元量子点只能通过改变量子点的尺寸来实现其对荧光波长、物理化学性质的调控，具有很大的局限性。尤其是是高质量小尺寸的量子点难以合成，因为小尺寸量子点的表面缺陷会使其荧光效率和稳定性显著降低，限制了其实际应用。

因此，目前本领域急需一种新的高荧光稳定性的量子点作为波长转换剂，其具有优越的荧光稳定性、高的荧光效率以及宽的发光范围，其吸收和荧光特征可以灵活的调节控制，从而提高太阳能电池的效率；而且用于太阳能电池时能够具有适当的其他性质，例如保证太阳能电池前板的高透明性、耐紫外性能和可加工性等等。

发明内容