專利名稱：上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料在染料敏化太陽電池上的應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及染料敏化太陽電池應(yīng)用領(lǐng)域，具體是下轉(zhuǎn)換發(fā)光材料在染料敏化 太陽電池上的應(yīng)用。
背景技術(shù)：
染料敏化太陽電池是一種新型薄膜電池，這種電池具有潛在的高效低成本， 性能相對穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。染料敏化太陽電池主要利用光敏染料高效采集光的性能和 設(shè)計(jì)靈活性特點(diǎn)，結(jié)合納晶半導(dǎo)體薄膜的多孔性、高比表面積和半導(dǎo)體材料的快 速電荷轉(zhuǎn)移與分離優(yōu)勢對太陽光進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。
在染料敏化太陽電池中目前應(yīng)用較好的染料敏化劑是Ru的聯(lián)吡啶類配合物， 這種染料有較寬的可見光譜吸收范圍，其中400nm 600nm可見光范圍的單色 光量子效率超過80%。然而在太陽輻射的光譜中，99%的能量集中在大約276 nm-4960 nm之間，其中50%左右的能量在紅外區(qū)域。數(shù)十年來提高染料敏化太 陽電池光電轉(zhuǎn)化效率的研究主要是材料與器件的性能優(yōu)化。但由于染料敏化劑的 光語響應(yīng)范圍有限，制約了染料敏化太陽電池的光電轉(zhuǎn)化效率。因此，今后進(jìn)一 步提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率將主要依靠對輸入太陽光譜中紅外光部分進(jìn)行調(diào)制。
利用上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料吸收紅外光發(fā)射可見光，能更有效激發(fā)染料產(chǎn)生電子， 拓寬了太陽電池的光譜響應(yīng)范圍，從而提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率。上轉(zhuǎn)換材料發(fā) 光，是指將兩個(gè)或兩個(gè)以上的低能光子轉(zhuǎn)換成一個(gè)高能光子的現(xiàn)象， 一般特指將 紅外光轉(zhuǎn)換成可見光，其發(fā)光機(jī)理是基于雙光子或多光子過程。上轉(zhuǎn)換材料主要 利用稀土元素的亞穩(wěn)態(tài)能級特性，可以吸收多個(gè)低能量的長波輻射，經(jīng)多光子加 和后發(fā)出高能的短波輻射，從而可使人眼看不見的紅外光變?yōu)榭梢姽?。上轉(zhuǎn)換產(chǎn) 生的前提是存在一個(gè)以上電子激發(fā)態(tài)的亞穩(wěn)態(tài)。實(shí)現(xiàn)激發(fā)光鐠寬化及量子效率提 高可以拓寬發(fā)光材料的應(yīng)用領(lǐng)域，其中摻雜是一條有效的途徑。摻雜稀土固體化 合物包括稀土與過渡金屬離子共摻雜，可以導(dǎo)致許多新的、高效率的上轉(zhuǎn)換材料 的出現(xiàn)。已發(fā)現(xiàn)摻雜卣化物具有紅外光轉(zhuǎn)化為可見光功能的過渡金屬離子有Ti2+， Ni2+, Mo3+, Re4+， Os4+， Mn2+, &3+等。在氟化物和氯化物基質(zhì)摻雜具有較好躍遷能級的Re4、可得到一種極有潛力的上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料。在800nm光激發(fā)下，Tm3+、 Yb3+、 Nd"摻雜的LiNb03晶體發(fā)射紫外可見光。在970nm紅外光激發(fā)下，Er3+ 和Yb"共摻雜的￥203發(fā)射上轉(zhuǎn)換藍(lán)光和紫外光。對于具有潛在應(yīng)用價(jià)值的上轉(zhuǎn) 換發(fā)光材料， 一直是發(fā)光材料研究的熱點(diǎn)和方向。近幾年來，納米上轉(zhuǎn)換發(fā)光材 料的研究已取得一些令人欣喜的結(jié)果，為染料敏化太陽電池應(yīng)用提供了廣闊的前 景。
綜上所述，傳統(tǒng)的染料敏化太陽電池由于染料敏化劑存在光譜響應(yīng)局限，影 響了電池的光電轉(zhuǎn)化效率，單純拓展染料敏化劑至全光語響應(yīng)范圍難度極大。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料在染料敏化太陽電池上的應(yīng)用，其提高了染料 敏化太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率和電池穩(wěn)定性。 本發(fā)明的技術(shù)方案為
上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料在染料敏化太陽電池上的應(yīng)用，其特征在于將上轉(zhuǎn)換發(fā)光 材料摻入覆蓋于染料敏化太陽電池的受光表面的透光薄膜中或分散摻入染料敏 化太陽電池電解質(zhì)中；使得太陽光語中的紅外光轉(zhuǎn)變?yōu)槿玖厦艋栯姵氐目晌?收的可見光。
所述的上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料在染料敏化太陽電池上的應(yīng)用，其特征在于所述的 上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料是指能將太陽光譜中的紅外光轉(zhuǎn)化為可見光功能的納米稀土金 屬卣化物材料、稀土金屬氧化物材料或稀土金屬硫化物材料。
所述的上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料在染料敏化太陽電池上的應(yīng)用，其特征在于薄膜中 上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料的重量比為0.01-20%，所述的摻入染料敏化太陽電池電解質(zhì)中 的上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料的重量比為0. 01-20%;所述的薄膜厚度為0. 01-2mm。
所述的上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料在染料敏化太陽電池上的應(yīng)用，其特征在于所述的 覆蓋于染料敏化太陽電池受光表面的透光薄膜是在高分子材料或小分子有機(jī)基 質(zhì)中添加上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料混合均勻，釆用現(xiàn)場固化成膜、薄膜熱壓粘接、提拉法、 旋轉(zhuǎn)涂覆或絲網(wǎng)印刷的方法形成的厚度為0. 01-2醒的薄膜。 制備步驟是
1、將上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料如0. 01 wt。/。 20wty。的納米稀土金屬卣化物材料、稀 土金屬氧化物材料或稀土金屬硫化物材料均勻分散到高分子材料中，采用擠壓， 熱壓粘貼方式制備出均勻的具有上轉(zhuǎn)換功能薄膜，在染料敏化太陽電池外表面覆蓋厚度為0.01 mm~2隱具有上轉(zhuǎn)換功能發(fā)光薄膜。
2、 將具有上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料如0. 01 wty。 20wty。的納米稀土金屬面化物材料、 稀土金屬氧化物材料或稀土金屬硫化物材料均勻分散到小分子有機(jī)基質(zhì)中，采用 提拉法、或旋轉(zhuǎn)涂覆、或絲網(wǎng)印刷等方法在染料敏化太陽電池外表面上，覆蓋厚 度為0.01 mm-2 mm的具有上轉(zhuǎn)換功能發(fā)光薄膜。
3、 將具有上轉(zhuǎn)換功能的材料如0. 01 wty。 20wt。/。的納米稀土金屬鹵化物材 料、稀土金屬氧化物材料或稀土金屬硫化物材料分散于電解質(zhì)中，制備具有上轉(zhuǎn) 換功能的染料敏化太陽電池適用的電解質(zhì)。
本發(fā)明利用上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料將染料敏化太陽電池中無法利用的紅外光轉(zhuǎn)換 成電池可以吸收的可見光，既解決了紅外光發(fā)熱造成的染料敏化太陽電池不穩(wěn) 定，又可以通過近紅外光譜發(fā)射可見光，使電池更大程度地利用太陽光，提高電 池的光電轉(zhuǎn)化效率和穩(wěn)定性。
具體實(shí)施例方式
上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料在染料敏化太陽電池上的應(yīng)用，是將具有紅外光轉(zhuǎn)化為可見 光功能的納米稀土金屬閨化物材料、稀土金屬氧化物材料或稀土金屬硫化物材料 覆蓋于染料敏化太陽電池受光表面或摻入染料敏化太陽電池電解質(zhì)中。
實(shí)施例1:
首先用95%的酒精清洗染料敏化太陽電池及組件的外表面(10cm2),接著 用丙酮清洗，再用脫脂棉去除染料敏化太陽電池及組件的外表面污漬等。
將5克YF3:Yb3+， Er"納米顆粒(顆粒粒徑為5nm)混合于25克的松油醇中， 超聲分散1小時(shí)。采用絲網(wǎng)印刷方法在染料敏化太陽電池及組件的外表面絲印厚 度為0.05 mm的上轉(zhuǎn)換功能發(fā)光薄膜并應(yīng)用于染料敏化太陽電池，可以實(shí)現(xiàn)將紅 外光轉(zhuǎn)化為可見光。
實(shí)施例2:
首先用95%的酒精清洗染料敏化太陽電池及組件的外表面(10 cm2)，接著 用丙酮清洗，再用脫脂棉去除染料敏化太陽電池及組件的外表面污漬等。
將5克的納米YF3:Yb3+， E一+顆粒(顆粒粒徑為5nm)均勻分散在25克聚氨 酯中，攪拌均勻后，采用60。C現(xiàn)場固化24小時(shí)制成厚度約lmm的上轉(zhuǎn)換材料 薄膜并應(yīng)用于染料敏化太陽電池，可以實(shí)現(xiàn)將紅外光轉(zhuǎn)化為可見光。實(shí)施例3:
將l克YF3:Yb3 Ei^+納米顆粒(顆粒粒徑為5nm)加入10克染料敏化太陽電池 的電解質(zhì)中，超聲分散30分鐘，制備成具有紅外光轉(zhuǎn)化為可見光功能的染料敏化 太陽電池電解質(zhì)中并將應(yīng)用于染料敏化太陽電池，可以實(shí)現(xiàn)紅外光轉(zhuǎn)化為可見光 的目的。
權(quán)利要求
1、上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料在染料敏化太陽電池上的應(yīng)用，其特征在于將上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料摻入覆蓋于染料敏化太陽電池的受光表面的透光薄膜中或分散摻入染料敏化太陽電池電解質(zhì)中；使得太陽光譜中的紅外光轉(zhuǎn)變?yōu)槿玖厦艋栯姵氐目晌盏目梢姽狻?br>
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料在染料敏化太陽電池上的應(yīng)用，其 特征在于所述的上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料是指能將太陽光譜中的紅外光轉(zhuǎn)化為可 見光功能的納米稀土金屬囟化物材料、稀土金屬氧化物材料或稀土金屬硫 化物材料。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料在染料敏化太陽電池上的應(yīng)用，其 特征在于薄膜中上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料的重量比為0.01-20%，所述的摻入染 料敏化太陽電池電解質(zhì)中的上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料的重量比為0.01-20%;所述 的薄膜厚度為0. 01-2ram。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料在染料敏化太陽電池上的應(yīng)用，其 特征在于所述的覆蓋于染料敏化太陽電池受光表面的透光薄膜是在高分 子材料或小分子有機(jī)基質(zhì)中添加上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料混合均勻，采用現(xiàn)場固化 成膜、薄膜熱壓粘接、提拉法、旋轉(zhuǎn)涂覆或絲網(wǎng)印刷的方法形成的厚度為 0. 01-2mm的薄膜。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料在染料敏化太陽電池上的應(yīng)用，是將具有紅外光轉(zhuǎn)化為可見光功能的納米稀土金屬鹵化物材料、稀土金屬氧化物材料或稀土金屬硫化物材料覆蓋于染料敏化太陽電池受光表面或摻入染料敏化太陽電池電解質(zhì)中。本發(fā)明利用上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料將染料敏化太陽電池中無法利用的紅外光轉(zhuǎn)換成電池可以吸收的可見光，既解決了紅外光發(fā)熱造成的染料敏化太陽電池不穩(wěn)定，又可以通過近紅外光譜發(fā)射可見光，使電池更大程度地利用太陽光，提高電池的光電轉(zhuǎn)化效率和穩(wěn)定性。
文檔編號H01L51/46GK101582330SQ20091011718
公開日2009年11月18日 申請日期2009年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月29日
發(fā)明者孔凡太, 張昌能, 張玉香, 戴松元, 旭 潘, 胡林華 申請人:中國科學(xué)院等離子體物理研究所