納米金字塔陷光結構的近紅外量子剪裁薄膜的製備方法
2024-02-17 15:50:15 1
專利名稱：納米金字塔陷光結構的近紅外量子剪裁薄膜的製備方法
技術領域：
本發明屬於太陽能電池領域，尤其是涉及ー種能夠實現提高矽太陽電池效率的具有納米金字塔陷光結構的高效近紅外量子剪裁下轉換發光的稀土摻雜薄膜及其製備エ藝。
背景技術：
太陽能電池光伏發電是一種清潔、安全的可再生能源，由於受到原理、結構以及材料等諸多方面的限制，傳統結構太陽能電池效率的提升面臨著重大挑戰。由於矽太陽電池將長期處於統治地位，因此開展提高矽太陽電池對光的利用效率的研究具有極其重要的意義。矽具有高的折射率，一般在裸矽表面太陽光的反射率達到了 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部的光子數減少，造成光生載流子數減少，迸而降低了電池的光電轉換效率。同時由於受到半導體矽帶隙的制約作用，大約有30%的太陽光輻射能量因熱損失而浪費，這也成為制約太陽電池效率提高的瓶頸之一。即當電池吸收高能光子產生「熱」載流子，「熱」載流子弛豫導帶底或價帶頂，這部分能量以晶格熱的形式損失，即為熱損失。將同時具有減反陷光結構和量子剪裁下轉換效應的材料與太陽電池耦合，通過減少矽太陽電池表面反射並對太陽光譜進行調製以實現減少載流子的熱損失，提高太陽電池效率。減少矽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構小於入射光波長(子波長SiAwavelength)的納米結構是ー種很好的減反陷光結構。但這種子波長結構的製備常需要比較複雜的エ藝，如納米平版印刷術 (nanolithography)自掩模等離子體刻蝕(selfmasking plasma etching)及聚合物複製 (polymer replication)等方法。近紅外量子剪裁下轉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象。但是現在人們對下轉換材料的研究還主要處於粉體，由於粉體對入射光散射嚴重，透明性差，限制了其在太陽電池上的實際應用。我們通過一歩方法製備了同時具有近紅外量子剪裁下轉換及納米金字塔陷光結構薄膜，其エ藝簡單且與矽太陽電池エ藝相兼容。因此該材料在降低矽太陽電池表面反射及熱化效應、提高光電轉換效率方面具有重要應用價值。
發明內容
本發明的目的是提供一種同時具有納米子波長陷光減反結構及下轉換發光薄膜材料及其製備方法。一種能有效提高矽基太陽能電池的工作效率的具有納米子波長陷光結構的紅外量子剪裁薄膜材料，其特徵在於(ι)薄膜具有納米金字塔陷光結構，(2)薄膜能實現近紅外量子剪裁，( 該薄膜製備エ藝簡單且與矽太陽電池相兼容。本發明所提供的一種能有效提高矽基太陽能電池的工作效率的同時具有納米金字塔陷光減反結構和量子剪裁下轉換效應的材料製備方法，包括以下步驟(1)在Y2O3粉體中摻入適量Bi2O3和Yb2O3粉體，其中Bi2O3粉體摩爾分數為0.25 1%，％203粉體摩爾分數為0.5 5%，然後球磨混合，80°C烘乾。將烘乾後的粉體放置於磨具中，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，製成陶瓷靶材。(2)採用步驟(1)製成的IO3 = BiJb陶瓷靶材，利用雷射脈衝沉積方法，製備薄膜材料以矽片為襯底，通入O2，襯底溫度為500 800°C，靶基距為6 8cm，工作氣壓為3 7Pa，雷射能量為200 400mJ/脈衝。上述襯底溫度優選700°C，靶基距8cm，工作氣壓為 5Pa，雷射能量為350mJ/脈衝。該薄膜具有的納米金字塔結構能有效實現減反陷光作用，並且該薄膜能有效吸收 300-400nm紫外光，經量子剪裁過程，發射出兩個能被矽基吸收的紅外光子。將該薄膜沉積在矽太陽電池上表面，能有效減少矽表面太陽電池反射，同時降低矽太陽電池的熱化效應， 提高電池的光電轉換效率。相對於現有技木，本發明具有如下優點和有益效果(1)本發明的具有納米金字塔陷光結構的近紅外量子剪裁薄膜能同時實現減反陷光及量子剪裁作用。(2)本發明提供的ー種具有納米金字塔陷光結構的近紅外量子剪裁薄膜其平均反射率由裸矽表面35%降低到15.8%，且其エ藝簡単。(2)利用本發明提供ー種具有納米金字塔陷光結構的近紅外量子剪裁薄膜製備エ 藝與矽太陽電池エ藝兼容，可以有效提高目矽基太陽能電池轉換效率。矽具有高的折射率， 一般在裸矽表面太陽光的反射率達到了 30%以上，使得大量的太陽光被反射棹，入射到電池內部的光子數減少，光生載流子數也隨之減少，降低了短路電流，從而電池的光電轉換效率降低。目前矽太陽電池的極限效率為30%，矽的能帶隙位於IOOOnm左右，與本發明中所提供的紅外量子剪裁材料所發射的光波長匹配。因此，如果將此種同時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矽太陽能電池的表面，能有效改善目前太陽能電池工作效率低的狀況。
圖1為實施例1製備的Y2O3 = Bi, Yb陶瓷靶材的XRD圖譜；圖2為實施例1製備的Y2O3 Bi，Yb薄膜的XRD圖譜；圖3為實施例1製備的Y2O3:Bi，Yb薄膜的表面SEM圖；圖4為實施例1製備的Y2O3:Bi，Yb薄膜斷面SEM圖；圖5為實施例1製備的Y203:Bi，Yb薄膜的反射譜；圖6實施例1製備的Y2O3:Bi，Yb薄膜在976nm波長監控下的激發光譜圖；圖7為實施例1製備的Y203:B1，Yb薄膜在331nm波長激發下的發射光譜圖；
圖8為實施例2製備的Y2O3 Bi，Yb薄膜的XRD圖譜；圖9為實施例2製備的Y2O3:Bi，Yb薄膜的表面SEM圖；圖10為實施例2製備的Y203:Bi，Yb薄膜的反射譜；圖11為實施例3製備Y2O3:Bi, Yb薄膜的表面SEM圖。
具體實施方式
本發明製備的薄膜與矽太陽電池耦合，減少矽太陽電池表面反射，同時降低矽太陽電池的熱化效應，提高電池的光電轉換效率。可望開發成為ー種新型的同時具有高效減反陷光及近紅外量子剪裁下轉換發光材料，在太陽電池領域具有廣闊的應用前景。實施例1(1)在Y2O3粉體中摻入適量的Bi2O3和Yb2O3的粉體，其中Bi2O3粉體摩爾分數為 0.5%, Yb2O3粉體摩爾分數為2.5%，然後球磨混合，80°C烘乾。將烘乾後的粉體放置於磨具中，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，製成陶瓷靶材。其陶瓷靶材的XRD圖譜(見圖1)完全符合Y2O3PDF 41-1105衍射標準
■i並 レ曰ο(2)採用步驟(1)製成的Y203:Bi，Yb陶瓷靶材，利用雷射脈衝沉積方法，以矽片為襯底，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，雷射能量為350mJ/脈衝，沉積時間為60min。得到純相も03薄膜，其XRD圖譜見圖2。通過SEM測試發現所製備的薄膜表面具有納米金字塔結構(見圖3，4)，進ー步通過紫外到近紅外反射譜測試發現這種具有納米金字塔結構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%，較裸矽表面35%的平均反射率有較大的降低(見圖5)。用FLS920螢光光譜儀在331nm激發條件下測量室溫發射譜，觀察到對應於％3+:2F5/2 - 2F772躍遷的量子剪裁近紅外光發射帶(中心波長為976nm)，能有效降低矽太陽電池熱化效應、提高光電轉換效率。實施例2在Y2O3粉體中摻入適量的Bi2O3和Yb2O3的粉體，其中Bi2O3粉體摩爾分數為1 %， %203粉體摩爾分數為0. 5%，然後球磨混合，80°C烘乾。將烘乾後的粉體放置於磨具中，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，製成陶瓷靶材。其陶瓷靶材的XRD圖譜完全符合103PDF41-1105衍射標準譜。(2)採用步驟(1)製成的Y203:Bi，Yb陶瓷靶材，利用雷射脈衝沉積方法，以矽片為襯底，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，雷射能量為400mJ/脈衝，沉積時間為60min。所得薄膜的XRD圖譜見圖8。通過SEM測試發現所製備的薄膜表面具有納米金字塔結構(見圖9)，進ー步通過紫外到近紅外反射譜測試發現這種具有納米金字塔結構的薄膜具有良好的減反陷光作用(見圖10)。用FLS920螢光光譜儀在331nm激發條件下測量室溫發射譜，觀察到對應於％3+:2F5/2 - 2F772躍遷的量子剪裁近紅外光發射帶(中心波長為976nm)。經測量其量子效率超過152%。實施例3(1)在Y2O3粉體中加入Bi2O3粉體和Yb2O3的粉體，其中Bi2O3粉體摩爾分數為 0. 25%, %203粉體摩爾分數為5%，然後球磨混合，80°C烘乾。將烘乾後的粉體放置於磨具中，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， 製成陶瓷靶材。(2)採用步驟(1)製成的Y203:Bi，Yb陶瓷靶材，利用雷射脈衝沉積方法，以矽片為襯底，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，雷射能量為200mJ/脈衝，沉積時間為60min。其表面具有納米金字塔結構(如圖11)，此具有納米金字塔結構的薄膜具有良好的減反陷光作用。用FLS920螢光光譜儀在331nm激發條件下測量室溫發射譜，觀察到對應於％3+:2F5/2 - 2F772躍遷的量子剪裁近紅外光發射帶(中心波長為 976nm)。
權利要求
1.納米金字塔陷光結構的近紅外量子剪裁薄膜的製備方法，其特徵在幹，包括以下步驟(1)在Y2O3粉體中加入Bi2O3粉體和％203粉體，其中Bi2O3粉體摩爾分數為0.25 1%， Yb2O3粉體摩爾分數為0. 5 5%，然後球磨混合，80°C烘乾。將烘乾後的粉體放置於磨具中， 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，製成陶瓷靶材；(2)採用步驟⑴製成的^)3:BiJb陶瓷靶材，利用雷射脈衝沉積方法，製備薄膜材料 以矽片為襯底，通入O2，襯底溫度為500 800°C，靶基距為6 8cm，工作氣壓為3 7Pa， 雷射能量為200 400mJ/脈衝。
2.按照權利要求1所述的納米金字塔陷光結構的近紅外量子剪裁薄膜的製備方法，其特徵在幹，步驟(2)襯底溫度為700°C，靶基距8cm，工作氣壓為5Pa，雷射能量為350mJ/脈衝。
全文摘要
納米金字塔陷光結構的近紅外量子剪裁薄膜的製備方法屬於太陽能電池領域。該薄膜同時具有減反陷光及近紅外量子剪裁下轉換作用。薄膜的材料組成為Y2O3、Bi2O3和Yb2O3，其中Bi2O3摩爾分數為0.25～1％，Yb2O3摩爾分數為0.5～5％。製備方法是在Y2O3粉體中加入Bi2O3粉體和Yb2O3的粉體，球磨混合，80℃烘乾。將烘乾後的粉體放置於磨具中，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，製成陶瓷靶材。；利用雷射脈衝沉積方法，以矽片為襯底，通入O2，襯底溫度為500～800℃，靶基距為6～8cm，工作氣壓為3～7Pa，雷射能量為200～400mJ/脈衝。該薄膜在紫外光到近紅外具有良好的減反陷光作用，且在紫外光激發下能實現高效的近紅外量子剪裁下轉換發光，有望降低矽太陽電池表面的反射及熱化效應，提高電池的光電轉換效率。
文檔編號H01L31/18GK102569515SQ20121000229
公開日2012年7月11日 申請日期2012年1月5日 優先權日2012年1月5日
發明者嚴輝, 侯育冬, 劉晶冰, 宋雪梅, 張銘, 曲銘浩, 朱滿康, 汪浩, 王如志, 王波 申請人:北京工業大學