[发明专利]一种高效太阳能电池光波转换纳米复合材料

说明书

[技术领域]

本发明涉及一种太阳能电池用高效光波转换纳米微粒复合材料及其制备方法。

[技术背景]

随着世界人口的急剧增加，对能源的需求量也越来越大。太阳能作为一种可再生能源，具有其他能源所不可比拟的优点。20世纪后期发展起来的太阳能光伏电池已经用于人造卫星、信号灯、野外观测站点的电源、广告用电源、光电水泵、家庭供电系统、太阳能汽车/船/飞机、微波通讯中继站电源、手机等领域，展现出巨大的市场应用前景。自从Chapin等人1954年在贝尔实验室发明第一块单晶硅太阳能电池到现在，人们就从没有停止过提高其光电转换效率的研究。要提高太阳能电池的光电转换效率，主要可以通过优化器件设计如并入背表面场、加强陷光技术、表面钝化技术以及制作减反射膜减少表面的非吸收损失等。然而太阳能电池器件结构的优化和减反射膜技术已经发展较成熟，进一步优化它们提高光电转换效率的空间不是太大。我们知道太阳能辐射光谱是连续光谱，其分布范围从零点几微米的紫外光到数微米的红外光为主。硅的能隙为1.12V，晶体硅太阳能电池主要吸收400nm到900nm左右的光，对400nm以下的光(紫光和紫外光)有很低的量子效率，因此造成400nm以下太阳光能的很大损失。如果想要进一步提高太阳能的利用率，增加太阳能电池的光电转换效率，有必要充分利用这部分的太阳光能。

纳米微粒特别是量子点材料是当前光电材料与器件的研究热点，其中纳米微粒奇特的发光现象为其展现了广阔的应用前景。许多纳米材料在紫光或紫外光(400nm以下)激发下可以发出波长在500nm-700nm范围内的可见光，而且控制纳米微粒的尺寸能得到多种波段的光发射(蓝、绿、红等)，而晶体硅太阳能电池对这部分光有较高的量子效率。如果根据需要将纳米材料应用到太阳能电池中，将太阳光中400nm以下的紫光和紫外光成分转换到500-700nm内的可见光，就能使晶体硅更有效地吸收太阳光能从而提高太阳能电池的光电转换效率。本项目利用发光性能优良且稳定性好的纳米微粒作为太阳能电池的光波转换材料，通过控制纳米微粒的成分和尺寸将太阳光中的紫光和紫外光转换成适合于太阳能电池吸收的可见光，从而有效地提高太阳能电池的的光电转换效率。

[发明内容]

本发明从太阳能电池光波转换材料实用化为目标，将纳米微粒掺入有机聚合物中在太阳能电池表面制成透明光波转换薄膜层。通过控制纳米微粒的成分、尺寸及在薄膜层的浓度将太阳光中的紫光和紫外光转换成适合于太阳能电池吸收的可见光，从而提高太阳能电池的光电转换效率，研制出高质量的太阳能电池光波转换材料。

本发明的目的通过以下措施来实现：一种高效太阳能电池光波转换纳米复合材料，包括机聚合物、纳米微粒，其特征在于纳米微粒掺杂到有机聚合物中的比例范围在0.01-10wt％。

有机聚合物采用聚氯乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯或聚二甲基硅氧烷或聚酰亚胺在400nm到900nm范围内的光有很高的透过率、化学和热稳定性高的透明有机化合物。

纳米微粒采用CdS或CdSe或ZnS或ZnO或TiO2或C或Si或Al2O3或Ge或InP或SiC或PbS或PbSe或GaAs尺寸在10nm以下，紫外和400nm以内的紫光激发下可以发出波长在500nm-700nm范围的可见光、化学和热稳定性高的量子点。

工艺步骤包括：(1)准备纳米微粒的材料，根据上述权利要求2和3选择材料(2)采用物理或化学混合：物理混合包括纳米微粒或表面修饰活性基团的纳米微粒掺入有机聚合物的液态形式，然后固化；纳米微粒或表面修饰活性基团的纳米微粒和有机聚合物在一定溶剂中混合，然后将溶剂挥发；化学混合包括：纳米微粒的表面修饰；纳米微粒和有机聚合物的单体在一定溶剂中混合；通过反应使单体形成聚合物(3)将上述复合材料涂布在太阳能电池表面形成透明光波转换薄膜层。

纳米微粒由包括化学液相合成或化学固相合成或化学气相合成或电解或电镀或溅射或蒸发或离子束生长的方法制备所得。

物理、化学制备步骤中的表面修饰剂采用巯基丙三醇或硫脲或疏萘剂或磺基琥珀酸双2-甲基戊基酯钠盐或四硫富瓦烯四硫醇盐或十二烷基硫酸钠。

物理、化学混合使用的溶剂包括水、酒精、丙酮、环氧树脂、硅胶、氯仿。

涂布在太阳能电池表面形成透明光波转换薄膜层采用丝网印刷或旋涂或喷涂或化学沉积或电化学沉积的方法。