一種可提高效率的太陽(yáng)能電池的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及一種可提高效率的太陽(yáng)能電池。
【背景技術(shù)】
[0002] 太陽(yáng)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，這種光譜不匹配導(dǎo)致了太陽(yáng)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(yáng)光譜能更好的與這種光譜波段依賴型的太陽(yáng)能電池相匹配。光譜轉(zhuǎn) 化的優(yōu)勢(shì)在于它可以應(yīng)用于現(xiàn)有太陽(yáng)能電池并實(shí)現(xiàn)電池最優(yōu)化。光譜轉(zhuǎn)化可分為：兩個(gè)低 能量子結(jié)合轉(zhuǎn)化成一個(gè)高能量子（即上轉(zhuǎn)換）和一個(gè)高能量子轉(zhuǎn)化成一個(gè)低能量子（即下轉(zhuǎn) 移）或兩個(gè)更低能量的量子(即下轉(zhuǎn)化或者量子剪裁)。
[0003] 針對(duì)染料敏化太陽(yáng)能電池用染料二-四丁銨-雙（異硫氰基）雙（2, 2'_聯(lián)吡 啶-4, 4'-二羧基）釕（II) (N719)的吸收光譜，可以發(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(qiáng)吸收，而在800nm以后幾乎沒有吸收，然 而在太陽(yáng)光譜中近紅外光區(qū)（800nm~1700nm)占據(jù)了高達(dá)55~60%的比例，如果能將這部 分光譜利用起來，對(duì)于太陽(yáng)能電池的意義是非常重大的。稀土上轉(zhuǎn)換材料可將近紅外光轉(zhuǎn) 化為可見光，這一原理為太陽(yáng)能電池光譜不匹配所造成的損失提供了一個(gè)非常好的改進(jìn)思 路。
[0004] 目前光譜轉(zhuǎn)化方面的研究主要分為兩個(gè)部分，一是利用有機(jī)染料和量子點(diǎn)實(shí)現(xiàn)的 下轉(zhuǎn)移和利用稀土元素和過渡金屬元素實(shí)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，這是因?yàn)檫@種方法將不能被太陽(yáng)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。這種上轉(zhuǎn)換層可置于太陽(yáng)能電池背部，簡(jiǎn)單而直接的促進(jìn)了太陽(yáng)能電池的光吸 收。但總體來講，這類電池的效率仍有提高的可能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本實(shí)用新型提供一種可比現(xiàn)有的染敏太陽(yáng)能電池有更高效率的太陽(yáng)能電池。
[0006] 本實(shí)用新型的一種可提高效率的太陽(yáng)能電池，包括：由封口材料與導(dǎo)電玻璃構(gòu)成 的電極和導(dǎo)電玻璃構(gòu)成的對(duì)電極形成的空腔，以及充于所述空腔內(nèi)的電解質(zhì)，電池對(duì)電極 的外表面附著由f3-NaYF4:Yb3+，Er3+材料構(gòu)成的、且f3-NaYF4:Yb3+，Er3+材料的一部分外 表面為金納米粒子的表面、另一部分外表面為β_NaYF4:Yb3+，Er3+材料的原始表面。
[0007] 進(jìn)一步，本實(shí)用新型的太陽(yáng)能電池的電極導(dǎo)電玻璃靠近空腔的面上上附著有鈦酸 四丁酯的致密層，鈦酸四丁酯的致密層上附著有二氧化鈦；對(duì)電極靠近空腔的面上附著有 金屬鉑。
[0008] 本實(shí)用新型中選取了上轉(zhuǎn)換效率較高的i3_NaYF4:Yb3+，Er3+材料作為上轉(zhuǎn)換層， 該材料在510~570nm有較強(qiáng)發(fā)射，與染料N719的吸收波長(zhǎng)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(shí)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(jìn)一步反射回電池 內(nèi)部，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)光的吸收和利用，從而可使太陽(yáng)能電池的效率得以提升。
[0009] 經(jīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，本實(shí)用新型的太陽(yáng)能電池可將染料敏化太陽(yáng)能電池的效率由4. 75% 提高到了 5. 74%，效率提升21. 0%，充分的利用近紅外區(qū)光。
【附圖說明】
[0010] 圖1為本實(shí)用新型的所用的上轉(zhuǎn)換材料電鏡圖。
[0011] 圖2為本實(shí)用新型的上轉(zhuǎn)換材料的上轉(zhuǎn)換熒光光譜圖。
[0012] 圖3為本實(shí)用新型的金納米粒子透射電鏡圖。
[0013] 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為鍍鉑層，4 為對(duì)電極的導(dǎo)電玻璃，5為表面沉積有金納米粒子的稀土上轉(zhuǎn)化材料，6為封口膜，7為導(dǎo)電 玻璃，8為致密層，9為二氧化鈦層。
[0014] 圖5為普通染敏電池與組裝了稀土上轉(zhuǎn)換材料的染敏電池的I-V曲線對(duì)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)明的組裝了稀土上轉(zhuǎn)換材料的 染敏電池。
【具體實(shí)施方式】
[0015] 本實(shí)用新型以下結(jié)合實(shí)施例詳細(xì)說明。
[0016] 1.染料敏化太陽(yáng)能電池的組裝
[0017] 本實(shí)用新型采用的二氧化鈦納米粒子為商用P25。將二氧化鈦納米粒子與聚乙二 醇20000制備成為二氧化鈦固體含量約為33%的漿料備用。導(dǎo)電玻璃FT0切割成所需大 小，用蒸餾水、乙醇、丙酮洗滌，置于乙醇溶液中備用。取0.1ml鈦酸四丁酯溶于30ml乙 醇中，分別取出一部分導(dǎo)電玻璃，將鈦酸四丁酯的乙醇溶液涂布于這部分導(dǎo)電玻璃（FT0)的 導(dǎo)電面作為致密層。再使用旋涂法將二氧化鈦漿料涂布于導(dǎo)電玻璃導(dǎo)電層與致密層之上， 所用的二氧化鈦通常為P25,即粒徑約為25nm的銳鈦礦和晶紅石混合相的二氧化鈦。本實(shí) 施例中獲得的二氧化鈦電極有效面積為0.16cm2,厚度15微米將涂布好的二氧化鈦電極 置于馬弗爐中加熱，150分鐘升溫至450°C保持1小時(shí)后取出，得到二氧化鈦電極。
[0018] 取出待用的另外的導(dǎo)電玻璃FT0,并在其一面的導(dǎo)電面鍍上貴金屬鉬，即制得電池 的對(duì)電極。
[0019] 將N719染料溶于乙腈/叔丁醇=1/1 (V:V= 1:1)溶液中，配置成0.5mM的浴 染溶液備用。將二氧化鈦電極置于馬弗爐中，升溫至120°C，保持30min，在馬弗爐中降至 100°C，迅速取出，置于浴染溶液當(dāng)中，浸泡24h。浸泡完畢，將已經(jīng)吸附了染料的二氧化鈦 電極取出，于乙腈中多次洗滌，洗去未吸附的染料分子，氮?dú)夥障吕滹L(fēng)吹干。將事先制備好 的β-NaYF4:Yb3+，Er3+材料配成0. 05g/ml的酒精溶液，并置于超聲儀中超聲2h，得到分散 性良好的稀土上轉(zhuǎn)換材料酒精溶液，將該溶液滴在對(duì)電極外部，即不鍍鉑的一面，再將對(duì)電 極放入真空干燥箱中，至完全干燥后再在對(duì)電極外部繼續(xù)滴加β-NaYF4:Yb3+，Er3+材料配成 的酒精溶液，直至在對(duì)電極外部形成一層均勻的白色β_NaYF4:Yb3+，Er3+材料層。在這一過 程中要注意控制每塊電池的滴定的溶液量，以確保在對(duì)電極外部形成的β-NaYF4:Yb3+，Er3+ 材料層厚度一致。再將涂有i5_NaYF4:Yb3+，Er3+材料層的電池對(duì)電極置于金屬濺射儀 中，濺射金納米層，這一過程中通過控制濺射時(shí)間來調(diào)節(jié)金納米層的厚度。如此形成由 β-NaYF4:Yb3+，Er3+材料構(gòu)成的、β-NaYF4:Yb3+，Er3+材料的一部分表面為附著有金納米粒子 的表面，而另一部分表面為不附著有金納米粒子的β-NaYF4:Yb3+，Er3+材料的原始表面。
[0020] 配制由0.6Μ的1,2-二甲基-3-丙基咪唑碘（DMPII)、0. 05Μ的12單質(zhì)和0.5Μ 的對(duì)叔丁基吡啶（ΤΒΡ)的乙腈/戊腈=85/15 (體積比）溶液組成的電解質(zhì)。
[0021] 使用封口膜將二氧化鈦電極與鍍有貴金屬鉑的FT0對(duì)電極封裝成中空的三明治 結(jié)構(gòu)，其中對(duì)電極的鍍鉑面處于中空內(nèi)側(cè)。再通過預(yù)留在對(duì)電極上的小孔將電解質(zhì)真空 灌注到三明治結(jié)構(gòu)中間層，然后用熱封膜與蓋玻片將預(yù)留小孔封住，至此完成電池封裝， 得到如圖4所示結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能電池，其中：一個(gè)表面附著致密層8和二氧化鈦層9的導(dǎo)電 玻璃7為光陽(yáng)極，同時(shí)為電池的負(fù)極；一面附著鉑層3、另一面附著沉積有金納米粒子的 β-NaYF4:Yb3+，Er3+材料層5的對(duì)電極導(dǎo)電玻璃4為光陰極，同時(shí)為電池的正極。
[0022] 本實(shí)用新型所使用的表面沉積有金納米粒子的β_NaYF4:Yb3+，Er3+材料的相應(yīng)的 形態(tài)與光譜參見附圖1至附圖3。
[0023] 經(jīng)上過程制備得到的本實(shí)用新型的太陽(yáng)能電池經(jīng)實(shí)際測(cè)試結(jié)構(gòu)參見表1，通過測(cè) 試數(shù)據(jù)可見本實(shí)用新型的電池效率較普通染敏電池的效率提升了 21%。
[0024]
[0025] 另外，相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)還表明，在相同電壓下，本實(shí)用新型的電池將有更高的電流中強(qiáng) 度，參見附圖5。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種可提高效率的太陽(yáng)能電池，包括：封口材料、導(dǎo)電玻璃構(gòu)成的電極和導(dǎo)電 玻璃構(gòu)成的對(duì)電極、以及充于由封口材料、導(dǎo)電玻璃構(gòu)成的電極和對(duì)電極所構(gòu)成的空 腔內(nèi)的電解質(zhì)，其特征在于對(duì)電極的外表面附著0-NaYF4:Yb3+，Er3+材料，且所附著 的i3-NaYF4:Yb3+，Er3+材料的一部分外表面為金納米粒子的表面，另一部分外表面為 β-NaYF4:Yb3+，Er3+材料的原始表面。2. 權(quán)利要求1所述的太陽(yáng)能電池，其特征在于：電極導(dǎo)電玻璃靠近空腔的面上上附著 有鈦酸四丁酯的致密層，鈦酸四丁酯的致密層上附著有二氧化鈦；對(duì)電極靠近空腔的面上 附著有金屬鉑。
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及一種可提高轉(zhuǎn)換效率的太陽(yáng)能電池。本實(shí)用新型的太陽(yáng)能電池由：封口材料與導(dǎo)電玻璃構(gòu)成的電極和導(dǎo)電玻璃構(gòu)成的對(duì)電極形成的空腔及充于所述空腔內(nèi)的電解質(zhì)構(gòu)成，其中：對(duì)電極的外表面附著有其表面沉積有金納米粒子的β-NaYF4:Yb3+,Er3+的六棱柱棒狀結(jié)構(gòu)顆粒。本實(shí)用新型的上轉(zhuǎn)換層將近紅外光轉(zhuǎn)化為可被染料吸收的可見光，同時(shí)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被吸收的可見光，另一方面可將上轉(zhuǎn)換的可見光進(jìn)一步反射回電池內(nèi)部，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了光的吸收和利用，將所制備的材料置于電池對(duì)電極外部，實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)能電池21%的效率提升。
【IPC分類】H01L31/048, H01G9/20
【公開號(hào)】CN205050705
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201520690472
【發(fā)明人】唐瑜, 于明匯, 茍發(fā)亮, 景歡旺
【申請(qǐng)人】蘭州大學(xué)
【公開日】2016年2月24日
【申請(qǐng)日】2015年9月8日