[发明专利]用于太阳能电池的核-壳纳米晶及其太阳能电池结构

说明书

技术领域

 本发明涉及太阳能电池的技术领域，更具体地，涉及用于太阳能电池的核-壳纳米晶及其太阳能电池结构。

背景技术

太阳能光伏发电的研究和发展是当今国际社会共同关注的研究热点，它利用半导体界面的光生伏特效应将可再生的绿色太阳光能直接转换为电能，成为解决传统化石能源面临的储量枯竭及对环境严重污染的有效途径之一。太阳能电池是光伏发电技术的关键元件，可将太阳光能直接转换为电能，是一种大有前途的新型电源，其发展十分迅速，具有永久性、清洁性和灵活性三大优点，同时应用市场规模逐步扩大。然而，由于半导体材料自身能隙的限制，太阳能电池只能吸收可见太阳光，短波长紫外光和长波长近红外光不能被太阳能电池吸收和利用，而是作为无用的热能浪费掉了，这就限制了太阳能电池的光-电转换效率。例如，市场上大量生产的单晶硅太阳能电池，由于硅半导体禁带宽度（~1.1eV）的限制，太阳光谱中波长大于1100nm的近红外光不能被吸收和利用，导致其光-电转换效率仅仅约为15%左右。因此，在全光光谱范围内吸收和利用太阳光能及高效率地将吸收的太阳光转换为电能成为太阳能电池研究领域中迫切需要解决的问题。

利用稀土离子的能级跃迁和光谱特性可以拓展太阳能电池的光谱响应范围，从而提高光-电转换效率。三价稀土离子（如Nd³⁺, Eu³⁺, Ho³⁺, Er³⁺, Tm³⁺和Yb³⁺等）内壳层4f电子在同一组态内不同能级之间发生跃迁时，通过上转换和下转换机制将吸收的紫外光和近红外光转换为可见光。上转换纳米材料是指具有将两个低能量光子转变为一个高能量光子的能力，并且其基本单元的颗粒或晶粒尺寸在一维上小于100nm。下转换纳米材料则是指粒径大小低于100nm的粉体并具有吸收高能量光子转变为低能量光子的能力。然而，稀土离子掺杂纳米颗粒的表面缺陷具有很大的振动能量会增大稀土离子能级之间的无辐射跃迁几率，从而降低上/下转换发光效率。

为了使太阳能电池充分利用太阳光谱，科学家提出将稀土离子掺杂上/下转换材料应用于太阳能电池中，将短波长紫外光和长波长近红外光转变为可被太阳能电池直接吸收和利用的可见光。Gibart课题组首次提出了将Er³⁺/Yb³⁺共掺上转换材料应用于双面GaAs太阳能电池的概念；T. Trupke等人以Shockley-Queisser模型为基础，在不影响原太阳能电池电学和结构特性的前提下，将上/下转换材料应用于太阳能电池上，通过计算预测上转换太阳电池在聚光和非聚光条件下的光-电转换效率极限分别为63.2%和47.6%，而下转换太阳电池的极限效率为38.6%；A. Shalav等人将Er³⁺:NaYF₄上转换材料放置在双面硅太阳电池的背面，首次通过实验实现了将上转换材料应用于太阳能电池的设想。实验发现，在激发功率为5.1mW的1523nm激发光激发下，太阳能电池的内量子效率和外量子效率分别为3.8%和2.5%；F. Lahoz利用Ho³⁺离子单掺氟氧玻璃陶瓷作为上转换发光层将1170nm近红外光转换成650nm的可见红光和910nm近红外光。随后的研究中，他们开发了双层上转换材料，Ho³⁺/Yb³⁺双掺玻璃陶瓷和Er³⁺离子掺杂材料分别吸收1170nm和1540nm近红外光，并转换为可见光；X.D. Zhang等人在非晶硅太阳能电池中结合了Er³⁺/Yb³⁺:NaYF₄纳米晶，使电池的短路电流密度从16mA/cm^-2增大至17mA/cm^-2；J. de Wild等人报道了上转换材料使非晶硅太阳能电池在28mW功率的980nm波长激光激发下，电池的最大电流达到了6.2mA；G.B. Shan等人将六边形Er³⁺/Yb³⁺:NaYF₄纳米片直接放置在染料敏化电池极板的底部，使电池的光电流和光-电转换效率均提高了10%左右；H.Q. Wang等人在P3HT:PCBM有机电池中加入了Yb³⁺/Er³⁺:LaF₃上转换荧光粉，在975nm激发光照射下，上转换发光效率为0.19%和上转换光电流密度为16.5μA cm^-2；Z.Q. Li等人则将Yb³⁺/Er³⁺/Gd³⁺:NaYF₄纳米棒修饰的电极应用于非晶硅太阳能电池中，使光电流增大了72倍左右。为了进一步扩展对太阳光谱的利用率，科学家提出将上转换和下转换发光层结合于一体的设想，以期在获得全光光谱太阳能电池的基础上可以进一步简化太阳能电池的结构。S.K. Singh等人制备了Er³⁺/Yb³⁺:Gd₂O₃荧光粉（平均粒径约为35nm）作为内核层为将980nm近红外光转换为上转换红、绿和蓝光，Eu(DBM)₃Phen有机络合物则通过下转换机制将紫外光（355nm）转换为可被吸收的红光。研究表明，充分的利用太阳光谱和高效率的上/下转换发光是新一代上/下转换太阳能电池的研究关键。将上转换和下转换层结合于一体无疑可以更加有效的提高太阳能电池的光-电转换效率，并且具有简化上/下转换太阳能电池结构的潜力。因此，上/下转换核-壳纳米材料由于可以高效率的实现光-光转换和具有吸收和利用全光光谱太阳光能的能力，必将成为能源领域中最有研究价值的热点。