[发明专利]一种稀土掺杂无机钙钛矿量子点复合硅太阳能电池及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于光伏太阳能电池技术领域，具体涉及一种稀土掺杂无机钙钛矿量子点复合硅太阳能电池及其制备方法。

背景技术

随着人类社会的不断发展和进步，人与自然的矛盾也越来越突出。尤其是在受到经济危机冲击的今天，能源问题和环境问题已成为了制约国际社会经济发展的瓶颈，也受到了全社会的高度重视。开发可再生的新型能源取代传统的化石能源具有重要意义。太阳能取之不尽，用之不竭。通过源源不断的太阳能产生电力提供能源是替代化石燃料的最佳方式。目前，效率最高的最稳定的太阳能电池是硅太阳能电池，光电转换效率最高可以达到25％。从1954年第一块单晶硅太阳能电池发展到今天，太阳能电池所用材料涉及到很多半导体材料，包括硅、无机化合物半导体、有机半导体甚至一些金属材料。由于硅原料丰富，它是地球上储量(约27％)仅次于氧的第二大元素。此外，硅的性能稳定、无毒，且制备工艺成熟，因此成为太阳能电池研究开发、生产和应用的主体材料。单晶硅太阳能电池具有倒金字塔织构、双层减反膜以及背反射结构，使电池拥有优异的陷光性能；利用氧化层钝化电池的正、背两面，增加了电池少子寿命；并且采用点接触代替原来的全覆盖式的背面铝合金接触，使单晶硅太阳能电池的转换效率高达24.7％，接近理论值。

William Shockley和Hans J.Queisser等人计算了硅太阳能电池的理论最高效率为33％(Journal of Applied Physics 1961,32,510)，现在生产的硅太阳能电池的效率已经逐渐接近这个理论最高值。因此，继续采用原有方法提高硅太阳能电池的效率是非常困难的。由于高能量的紫外光被吸收后容易复合，导致硅太阳能电池对紫外光的利用效率比较低。因此，将紫外光转化为可见光或者红外光，就可以被硅太阳能电池有效利用，提高硅太阳能电池的效率。近几年，很多研究者采用硅太阳能电池与其他种类电池的叠层电池，来突破硅太阳能电池的理论最高效率，比如，硅-钙钛矿叠层电池、硅-染料叠层电池、硅-聚合物叠层电池等。现在研究报道的硅-钙钛矿叠层电池的最高效率为25.2％。然而，叠层电池的制备工艺复杂，稳定性差，参与叠层的电池必然会使原来硅太阳能电池的效率降低，导致最高的效率提高的很有限。很多文献报道了采用紫外-可见下转换荧光材料来提高硅太阳能电池效率，包括半导体量子点、稀土下转换材料、石墨烯量子点等。但是由于这类下转换材料的量子效率普遍较低，使得其对硅太阳能电池效率的提高非常低。其中Wen-Jeng Ho等(Materials 2017,10,10)报道的采用稀土铕掺杂的荧光材料将硅太阳能电池的效率从12.56％提高到13.86％，相对提升比例达到9.2％。

寻找更高效率的下转换荧光材料，对于提高硅太阳能电池效率具有重大的意义。在稀土离子中，许多能级能量匹配的稀土离子对可以实现量子剪裁，即一个高能光子转化为两个低能光子，比如Yb-Ce、Yb-Tb、Yb-Er等。量子剪裁的理论最高效率为200％，能够极大提高荧光材料的效率。但是，实际测量的量子效率远远没有达到200％，大部分量子剪裁材料的量子效率依然不高。由于稀土材料的吸收截面比较低，严重限制了量子剪裁的效率。因此，寻找更高吸收截面、更高效率的基质材料对于提高量子剪裁效率很有意义。

近几年，大量文献研究报道了钙钛矿量子点，其具有高吸收截面、高量子效率、低声子能量等特征，是一种特别高效的荧光材料。将量子剪裁稀土材料与钙钛矿量子点结合，有可能制备出高效的量子剪裁荧光材料。因此，将量子剪裁稀土离子对掺杂到钙钛矿量子点中，实现高效的下转换荧光发射。将此荧光材料覆盖在硅太阳能电池表面，可以大幅提高硅太阳能电池的光电转化效率。迄今为止，这种方法还没有人报道。

发明内容

本发明针对商用硅太阳能电池光电转换效率低的瓶颈的问题，提出采用高效的稀土掺杂无机钙钛矿量子点作为光转换层提高硅太阳能电池的光电转换效率的方案，提供一种无机钙钛矿量子点复合硅太阳能电池及其制备方法。