一種可應(yīng)用于染料敏化太陽能電池的上轉(zhuǎn)化材料、制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種可提高太陽能電池效率的稀±上轉(zhuǎn)換材料、制備方法及其在太陽 能電池中的裝配方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 太陽能電池的效率很大程度上取決于半導(dǎo)體材料的帶隙，因此不能吸收能量低于 帶隙的量子，運種光譜不匹配導(dǎo)致了太陽能電池能量的大量損失。目前一種可行的方法是 通過轉(zhuǎn)化光譜使太陽光譜能更好的與運種光譜波段依賴型的太陽能電池相匹配。光譜轉(zhuǎn) 化的優(yōu)勢在于它可W應(yīng)用于現(xiàn)有太陽能電池并實現(xiàn)電池最優(yōu)化。光譜轉(zhuǎn)化可分為：兩個低 能量子結(jié)合轉(zhuǎn)化成一個高能量子（即上轉(zhuǎn)換）和一個高能量子轉(zhuǎn)化成一個低能量子（即下轉(zhuǎn) 移）或兩個更低能量的量子，即量子剪裁。
[0003] 針對染料敏化太陽能電池用染料二-四下錠-雙（異硫氯基）雙但，2'-聯(lián)化 晚-4, 4'-二簇基）釘（II) (N719)的吸收光譜，可W發(fā)現(xiàn)其吸收范圍主要集中在紫外光區(qū) 和可見光區(qū)，尤其在380nm和520nm附近有較強吸收，而在800nmW后幾乎沒有吸收，然 而在太陽光譜中近紅外光區(qū)（800nm~1700nm)占據(jù)了高達55~60%的比例，如果能將運部 分光譜利用起來，對于太陽能電池的意義是非常重大的。稀±上轉(zhuǎn)換材料可將近紅外光轉(zhuǎn) 化為可見光，運一原理為太陽能電池光譜不匹配所造成的損失提供了一個非常好的改進思 路。
[0004] 目前光譜轉(zhuǎn)化方面的研究主要分為兩個部分，一是利用有機染料和量子點實現(xiàn)的 下轉(zhuǎn)移和利用稀上元素和過渡金屬元素實現(xiàn)的上轉(zhuǎn)換和下轉(zhuǎn)化。近幾年上轉(zhuǎn)換研究得到了 極大關(guān)注，運是因為運種方法將不能被太陽能電池所吸收的低能量子轉(zhuǎn)化為可被其吸收的 高能量子。運種上轉(zhuǎn)換層可置于太陽能電池背部，簡單而直接的促進了太陽能電池的光吸 收。下轉(zhuǎn)化和下轉(zhuǎn)移的原理比較繁瑣，運類光譜轉(zhuǎn)化器需置于太陽能電池頂部，運樣一來， 任何一點因為引入轉(zhuǎn)化器而帶來的能量損失都會極大的影響太陽能電池的總效率。雖然已 有證據(jù)顯示下轉(zhuǎn)化可帶來接近200%的量子效率，但實際的量子效率因為濃度澤滅和寄生 吸收而遠低于該值。即使在非常完美的200%量子產(chǎn)率體系中，更高效的太陽能電池還需要 第一個反射層來反射未被吸收的量子，但目前還沒有實驗證明下轉(zhuǎn)化材料在太陽能電池中 可實現(xiàn)運樣的反射作用。然而上轉(zhuǎn)換層一般置于太陽能電池底部，可W很方便的同時實現(xiàn) 上轉(zhuǎn)換和反射層的作用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明提供一種稀±上轉(zhuǎn)換材料，W及運種上轉(zhuǎn)化材料、制備方法及其在太陽能 電池中的裝配方法。
[0006] 本發(fā)明的0 -NaYF4:孔3+，Er3+上轉(zhuǎn)換材料是在0 -NaYF4:孔3+，Er3+材料的部分表面 附著有2~3nm金納米粒子，形成其一部分表面為附著有金納米粒子的表面，另一部分表 面為不附著有金納米粒子的表面。 W07] 本發(fā)明優(yōu)選的0-NaYF4:孔3+，化上轉(zhuǎn)換材料是形態(tài)為六棱柱棒狀結(jié)構(gòu) 顆粒的0-NaYF4:孔3+，化3+，因為相關(guān)實驗表明，運種形態(tài)為六棱柱棒狀結(jié)構(gòu)顆粒的 0-NaYF4:孔3+，Er3+具有最高的巧光強度。
[0008] 本發(fā)明的形態(tài)為六棱柱棒狀結(jié)構(gòu)顆粒的0 -NaYF4:孔3+，化上轉(zhuǎn)換材料制備方法 是：將0.6g化OH溶于3ml的二次蒸饋水中，連續(xù)攬拌下依次加入10ml乙醇和10ml油 酸，繼續(xù)攬拌至溶液呈淡黃色澄清液。再加入2ml濃度為0.4M的RECls'6&0(RE=Y， 孔，Er 者物質(zhì)的量比為78:20:2)溶液和1ml濃度為4M的NH4F溶液，充分攬拌后將 混合液轉(zhuǎn)入高壓水熱蓋中，230°C下充分反應(yīng)，待水熱蓋自然冷卻至室溫收集產(chǎn)品，用二次 蒸饋水和無水乙醇充分洗涂后，干燥處理得到e-NaYF4:孔3+，化的六棱柱棒狀結(jié)構(gòu)顆粒。 采用運一方法制得的產(chǎn)物均為六棱柱棒狀；而且運一方法的制備過程簡單易行。
[0009] 使用本發(fā)明的上轉(zhuǎn)換材料制備的太陽能電池的組裝方法是： a. 事先制備出或者購置得到P-NaYFA:YlAEr3+材料待用； b. 制備出或購置得到二氧化鐵納米粒子待用； C.將二氧化鐵納米粒子(本發(fā)明的實施例中采用的是商用P25)與聚乙二醇20000制備 成為二氧化鐵固體含量約為33%的漿料備用；導(dǎo)電玻璃FTO切割成所需大小，用蒸饋水、乙 醇、丙酬洗涂，置于乙醇溶液中待用，取0.1ml鐵酸四下醋溶于30ml乙醇中，涂布于干燥 的FTO導(dǎo)電面上作為致密層待用； d. 使用旋涂法將二氧化鐵漿料涂布于導(dǎo)電玻璃導(dǎo)電層與致密層之上； e. 將涂布好的二氧化鐵電極置于馬弗爐中加熱，150分鐘升溫至450°C保持1小時后取 出，得到二氧化鐵電極，運里加熱和保溫的作用是除去二氧化鐵漿料中的有機物，當然本步 驟也可W直接將二氧化鐵電極降溫到100度； f. 將N719染料溶于乙臘和叔下醇混合溶劑（V:V= 1:1)中，配置成0.5ml的浴染溶 液備用； g. 將二氧化鐵電極置于加熱爐中，升溫至120°C，保持30min,再在加熱爐中降溫至 100°C，迅速取出，置于浴染溶液當中，浸泡使二氧化鐵電極充分吸附染料后取出，用乙臘充 分洗涂，在氮氣氛下冷風(fēng)吹干，即得到二氧化鐵電極，本步驟中的升溫和保溫是為了活化二 氧化鐵電極和除去吸附在表面的水份，但如果升溫太高做出的太陽能電池效率會降低； h. 從乙醇中取出待用的導(dǎo)電玻璃FT0,并在導(dǎo)電面鍛上貴金屬銷，即得到電池對電極； i. 將事先制備好的P-NaYF4:孔3+，化材料配成0.05g/ml酒精溶液，經(jīng)超聲處理得到 分散性良好的P-NaYF4:孔3+，化3+稀±上轉(zhuǎn)換材料酒精溶液，將該溶液滴在對電極非導(dǎo)電面 的外部，放入真空干燥箱中，至完全干燥再繼續(xù)滴加，直至形成一層均勻的白色稀±上轉(zhuǎn)換 材料層，再在涂有上轉(zhuǎn)換材料層表面上瓣射一層金納米粒子層，如此在對電極的外面上形 成特定的上轉(zhuǎn)換層，即P-NaYF4:孔3+，化材料的一部分表面為附著有金納米粒子的表面、 另一部分表面為不附著有金納米粒子的0-NaYF4:孔3+，化材料的自然表面的上轉(zhuǎn)換層； j. 封口膜剪成與導(dǎo)電玻璃相同大小，中間預(yù)留方孔。將封口膜覆與帶有二氧化鐵電極 的導(dǎo)電玻璃表面，二氧化鐵電極部分從預(yù)留方孔中露出。將由0.6M的DMPII, 0.05M的 Iz和0.5M的TBP，乙臘/戊臘=85/15 (體積比）構(gòu)成的電解質(zhì)滴加在預(yù)留方孔中，使二 氧化鐵電極浸沒。將制備好帶有上轉(zhuǎn)換材料層的對電極覆蓋于封口膜上，銷電極正對二氧 化鐵電極，并與電解液接觸，帶有上轉(zhuǎn)換材料的一側(cè)朝外，完成太陽能電池組裝。
[0010] 本發(fā)明在對電極的非導(dǎo)電面上的P-NaYF4:孔3+，化材料優(yōu)選采用形態(tài)為六棱柱 棒狀結(jié)構(gòu)顆粒的P-NaYF4:孔3+，化材料。相關(guān)實驗表明，當0-NaYF4:孔3+，化材料形態(tài) 為六棱柱棒狀結(jié)構(gòu)顆粒時，其光電轉(zhuǎn)換效率優(yōu)于其它形態(tài)的同質(zhì)材料。
[0011] 在本發(fā)明前述的太陽能電池的組裝方法中，對電極上沉積金納米層優(yōu)選采用瓣射 方法。
[0012] 本發(fā)明選取了上轉(zhuǎn)換效率較高的0 -NaYF4:孔3+，化材料，特別是采用形態(tài)為六棱 柱棒狀結(jié)構(gòu)顆粒的P-NaYF4:孔3+，化材料作為上轉(zhuǎn)換層，可在510~570nm有較強發(fā)射，并 與染料N719的吸收波長非常吻合，因此可作為上轉(zhuǎn)換層將近紅外光轉(zhuǎn)化為可被染料吸收 的可見光，同時在上轉(zhuǎn)換層的外部增加一層金納米反射層，一方面反射未被完全吸收的可 見光，另一方面可將上轉(zhuǎn)換的可見光進一步反射回電池內(nèi)部，進一步實現(xiàn)光的吸收和利用， 從而獲得了太陽能電池21%的效率提升。
[0013] 經(jīng)實驗發(fā)現(xiàn)，采用本發(fā)明的優(yōu)選的上轉(zhuǎn)換材料制備的太陽能電池可將染料敏化太 陽能電池的效率由4. 75%提高到了 5. 74%，效率提升21. 0%。使用的上轉(zhuǎn)換材料可W進一步 反射太陽光，并充分的利用近紅外區(qū)光。
【附圖說明】
[0014] 圖1為本發(fā)明的上轉(zhuǎn)換材料電鏡圖。
[0015] 圖2為本發(fā)明的上轉(zhuǎn)換材料的上轉(zhuǎn)換巧光光譜圖。
[0016] 圖3為本發(fā)明的金納米粒子透射電鏡圖。
[0017] 圖4為經(jīng)組裝后的電池結(jié)構(gòu)示意圖，圖中：1為封口膜，2為電解質(zhì)，3為鍛銷層，4 為對電極的導(dǎo)電玻璃，5為一部分表面沉積有金納米粒子的稀±上轉(zhuǎn)化材料，6為封口膜，7 為導(dǎo)電玻璃，8為致密層，9為二氧化鐵層。
[0018] 圖5為普通染敏電池與組裝了稀±上轉(zhuǎn)換材料的染敏電池的I-V曲線對比圖，圖 中位于上面的曲線為普通染敏電池，位于下面的曲線為本發(fā)明的組裝了稀±上轉(zhuǎn)換材料的 染敏電池。
[0019] 圖6為不同形態(tài)的e-NaYF4:孔3+，化納米顆粒轉(zhuǎn)換巧光強度的曲線，其中曲線1 (最上面的一條曲線）為棒狀顆粒，2為蝴蝶結(jié)狀顆粒、3為管狀顆粒、4為盤狀顆粒。
【具體實施方式】
[0020] 本發(fā)明W下結(jié)合實施例詳細說明。
[0021] 1. 0 -NaYF*:孔3+，Er3+微米棒的制備方法 將0.6g化OH溶于3ml二次蒸饋水中，連續(xù)攬拌下依次加入10ml乙醇和10ml油 酸，繼續(xù)攬拌至溶液呈淡黃色澄清液。再加入2ml濃度為0. 4M的RECls? 6&0(RE=Y， 孔，Er;Y:孔:Er= 78:20:2 )溶液和1