专利名称：具有荧光粉的太阳能电池的制作方法
技术领域：
本实用新型关于一种太阳能电池，特别是有关于一种具有荧光粉的太阳能电池。
背景技术：
在能源危机与环保问题的双重诉求下，开发能自产的绿色能源，已成为人类的最重要课题，而太阳能同时具有普遍性、自产性及环保性，为最佳的再生能源之一。太阳能电池直接将太阳能转换成电能，其运作不产生毒性物质、温室气体及噪音，其操作相当安全， 亦仅需低廉的维护成本，况且太阳能为取之不尽、用之不竭的理想再生能源，发展太阳能电池应用的相关材料及技术，为解决现今能源及环保问题的最佳方法及策略。目前太阳能电池的发展大致上分为两大类，第一类是以硅为基础材料，第二类就是非硅基础材料，第二类目前比较多开发为化合物半导体(如CdTe)、染料敏化(DSSC)或有机电池等。现阶段的太阳能电池几乎以第一类为主要发展，因为以硅为基础材料的太阳能电池的能量转换效率(conversionefficiency)较高，其又可以分为单晶硅、多晶硅、非晶硅、硅薄膜等。目前的太阳能电池市场以单晶及多晶硅的太阳能电池为主，目前市售的单晶硅转换效率约在20%，至于多晶硅的转换效率约在17%，这些都离理想目标的转换效率甚远，因为实验室理想的转换效率分别可达30 40%，该如何提升转换效率就是一个很重要的发展目标。
发明内容有鉴于上述先前技术的缺憾，发明人有感其未臻于完善，遂竭其心智悉心研究克服，凭其从事该项产业多年的累积经验，进而研发出一种具有荧光粉的太阳能电池，以期达到提高太阳能电池的光电转换效率的目的。本实用新型的主要目的在提供一种具有荧光粉的太阳能电池，其可有效提高太阳能电池的光电转换效率。为达上述目的，本实用新型的一种具有荧光粉的太阳能电池，包含一光电转换层，用于将光能转换为电能；一荧光粉层，设置于该光电转换层的至少一侧，用于增加光电转换效率；该荧光粉为上转换荧光粉或下转换荧光粉，该上转换荧光粉选自Χ2Μο209:Χ、 X2Mo2O9 Χ,Χ,Χ3Μο4012 X 或X3Mo4O12 X，X，该下转换荧光粉选自 JQX (PO4) 2 X3+ 或 JQX (PO4) 2 X2+， X2+，其中χ代表任一种稀土金属，J代表锂、钠或钾，而Q代表任一种碱土金属。上述的太阳能电池，其中该上转换荧光粉为La2Mo209:Yb，Er或La2Mo2O9 = Yb, Ho。上述的太阳能电池，其中该下转换荧光粉为KCaGd (PO4) 2 Eu3+或KSrGd (PO4) 2 Eu3+。上述的太阳能电池，其中该荧光粉层进一步包含BaMgAliciO17 = Eu2+, Mn2+或(Ba，Sr， Mg) 2Si04: Eu2+O上述的太阳能电池，其中该荧光粉层进一步包含一高分子涂料，其选自 PMMA(polymethyl methacrylate)、聚酰胺及硅化合物中的一者或其组合。上述的太阳能电池，其中该光电转换层选自P型半导体及N型半导体中的一者或其组合。上述的太阳能电池，其中该光电转换层选自多晶硅、单晶硅、非晶硅及CdTe中的
一者或其组合。上述的太阳能电池，进一步包含一抗反射层，其设置于该光电转换层的至少一侧、 该光电转换层及该荧光粉层之间或该荧光粉层的至少一侧。上述的太阳能电池，其中该抗反射层选自氮化硅、氧化硅及氮氧化硅中的一者或
其组合。上述的太阳能电池，其中该荧光粉层通过网版印刷、蒸镀、溅镀、涂布或贴合方式所形成。上述的太阳能电池，其中该荧光粉层的厚度1至100微米。由此，本实用新型的一种具有荧光粉的太阳能电池，可有效提高太阳能电池的光电转换效率。
图1(a)和图1(b)为示意图，分别显示具有上转换或下转换荧光材料的太阳能电池结构。主要组件符号说明1 硅太阳能板2上转换荧光材料3背反射板4下转换荧光材料
具体实施方式
为充分了解本实用新型的目的、特征及功效，现通过下述具体的实施例，并配合所附的图式，对本实用新型做一详细说明，说明如后本实用新型主要利用上、下转换荧光粉来提升转换效率，如图1(a)和图1(b)所示。因为以硅为基础材料的太阳能电池，受限于硅元素本身的能阶大小所致，所以只能吸收太阳光中400至IOOOnm的光来进行光电转换，但以一般的太阳光的频谱来看，太阳光涵盖的范围从紫外光(UV)到红外光(IR)，所以硅材料的吸收光范围明显比较狭小。因此，如果可以增加紫外光及红外光这两大区块的利用，应该可以提升很可观的转换效率。于本实用新型中，频谱或光谱转换可搭配适当荧光材料，并以下列方式实行上转换(up conversion,结构如图1 (a)所示)，其依序包括硅太阳能板1、上转换荧光材料2、背反射板3。下转换(down conversion,结构如图1 (b)所示)，其依序包下转换荧光材料4以及硅太阳能板1。太阳光谱上转换的原理，主要是将能量小于太阳能电池材料能隙的入射光子，转变为能量大于能隙的光子，然后经由反射镜反射所产生的高能光子，供太阳能电池再次吸收而产生电子/电洞对(electron-hole pair)，其最高理论效率为47. 6%。而太阳光谱下转换的原理将下转换荧光材料(down converter)制作于太阳能电池表面上，利用能量大于太阳能电池材料能隙二倍以上的一个入射光子，转变为能量大于能隙的两个光子，之后供太阳能电池再次吸收而产生两组电子/电洞对，其最高理论效率为30.9%。目前已知可用在太阳能电池的上转换荧光粉，常见的有NaYF4 = Er(可见 A. Shalav et al. (2005)，Appl. Phys. Lett. 86,013505)及 NaYF4:Yb，Er (可见 A. Shalav et al. (2007)，Sol. Energ. Mat. Sol. Cells，91，8^_842)，其可提升太阳能电池的量子效率(quantum efficiency)。目前已知可用在太阳能电池的下转换荧光粉，如t03:Eu3+或 Y2O2SEu3+(可见 P. Chung et al. (2007)，J. Vac. ki. iTechnol. A，25，1，61-66)，其利用与高分子(PE及TPP)结合，涂布在实验室型小尺寸的太阳能电池上。美国专利2007/(^95383 Al，公开将一系列能吸收280至460nm波长的(Sr，Ba， EiO2SiO4Fx的纳米与微米级荧光粉，整合于硅太阳电池以有效提升其转换效率。但该专利并未明显提供可有效提升转换效率的数据，且均只限应用于实验室型小尺寸的太阳能电池上，缺乏于商业上量产应用的可能。理论已证实利用光转换材料(各类型荧光材料)，为提升太阳能电池的转换效率的可行方法之一，其主要优点为方法简单、成本低廉、较不影响原本太阳能电池的制作，理论上亦可适用于各种不同类型的太阳能电池。是故，可应用于太阳能电池的光转换材料的寻求及实用化，相信对于太阳能电池的推广及未来发展，将会具有深远的影响。因此，全球主要的研究单位，均致力于开发替代性材料及其相关技术的研究，以降低制作成本及提升转换效率。概言之，本实用新型的主要目的在于提供一种具有光电转换层及荧光粉层的太阳能电池，其中该荧光粉层中含有上转换荧光粉或下转换荧光粉。一般而言，上转换荧光粉的通式为 ^C2Mo2O9 X>X2Mo209 X，X、X3Mo4012 X 或 X3Mo4O12 X， X，其中X代表任一种稀土金属，例如La、Gd等等，且上转换荧光粉中以一种或两种的稀土金属掺杂。下转换荧光粉的通式为JQX (PO4) 2 X3+或JQX (PO4) 2 X2+，X2+，其中J代表锂、钠或钾， Q代表任一种碱土金属，例如Mg、Ca、Sr、Ba，而X的定义同前；此外，下转换荧光粉中以一种或两种的稀土金属离子掺杂。合成上转换荧光粉Lei2Mo2O9 Yb，Er 及 Lei2Mo2O9 Yb，Ho混合La203、Mo03、Yl3203及 03(R= Er，Ho)，以化学计量组成为(l-χ-y) 2 χ y 的比例，而X = 0.09且y = 0.01，将混合物溶于5% HC1，经干燥后获得一淡黄粉末前趋物。再将前趋物充分混合研磨后，于900°C加热8小时后缓慢冷却，以获得白色高纯度的 La2Mo2O9: Yb, Er 及 La2Mo2O9: Yb, Ho。合成下转换荧光粉KCaGd (PO4) 2 Eu3+ 及 KSrGd (PO4) 2 Eu3+以化学计量组成的比例，混合(NH4)2HP04、K2CO3> Eu203、Gd2O3 及 RCO3 (R = Ca，Sr)， 且混合NH4Cl作为助熔剂，之后于800°C加热6小时且于1200°C加热6小时后冷却，以获得高纯度的 KCaGd (PO4) 2 Eu3+ 及 KSrGd (PO4) 2 Eu3+。制造具有上转换荧光粉的太阳能电池以1 10的重量％混合上转换荧光粉与PMMA，之后以网版印刷涂布于一 6” X6” 多晶硅太阳能板，最后于130°C固化3小时，以完成具有上转换荧光粉的太阳能电池。其中实施例1以La2Mo2O9 = Yb, Ho涂布于太阳能板的入光面，实施例2至3以La2Mo2O9: Yb, Er涂布于太阳能板的入光面，实施例4以La2Mo2O9Ib，Er涂布于太阳能板的背光面。分别量测涂布前与涂布后的短路电流(Isc)、开放电压(Voc)及光电转换效率(η % )，其中光电转换效率可由下式计算而得n =FF. Isc. Voc/Pin，其中Pin为进入太阳能电池的辐照光能量，FF为填充因子。 其实验结果如表1所示。表1
实施例Isc (涂布前)Isc (涂布后)AIscη (涂布前)η (涂布后)Δη18.058.180.1316.5316.780.25(+1.50%)28.048.190.1316.5216.810.29 (+1.76%)38.068.210.1516.5316.800.27 (+1.73%)48.138.310.1816.2316.670.44 (+2.71%)由表1可以发现，具有上转换荧光粉的太阳能电池，可明显增加光电转换效率为 1. 50%至2. 71%，且当上转换荧光粉涂布于太阳能板的背光面，可获得最佳的光电转换效率，而当上转换荧光粉涂布于太阳能板的入光面，光电转换效率并无太大改变，符合先前技术所揭示的理论。制造具有下转换荧光粉的太阳能电池以1 10的重量％混合下转换荧光粉与PMMA，之后以网版印刷涂布于市售的36 个6” X6”多晶硅太阳能板的入光面，最后于130°C固化3小时，以完成具有上转换荧光粉的太阳能电池。分别量测涂布前与涂布后的短路电流(Isc)、开放电压(Voc)及光电转换效率(η % )，并取其平均值。其实验结果如表2所示。表 2
实施例Isc (涂布前)Isc (涂布后)AIscη (涂布前)η (涂布后)Δη平均值8.108.350.2516.5217.000.48 (+2.90%)由表2可以发现，具有下转换荧光粉的太阳能电池，可明显增加光电转换效率至 2. 90%,并可于商业上量产应用。由上述实验结果可知，本实用新型的上、下转换荧光粉，可涂布于市售具有抗反射层的太阳能板的抗反射层上，亦可涂布于无抗反射层的太阳能板且具有抗反射层的功效， 均可有效增加太阳能电池的光电转换效率。如上所述，本实用新型完全符合专利三要件新颖性、创造性和实用性。以新颖性和创造性而言，本实用新型借着自行合成的上、下转换荧光粉，可有效达到增加太阳能电池的短路电流及光电转换效率的功效；就实验性而言，利用本实用新型所衍生的产品，当可充分满足目前市场的需求。 本实用新型在上文中已以较佳实施例描述，然本领域技术人员应理解的是，该实施例仅用于描绘本实用新型，而不应解读为限制本实用新型的范围。应注意的是，举凡与该实施例等效的变化与置换，均应设为涵盖于本实用新型的范畴内。因此，本实用新型的保护范围当以下文的申请专利范围所界定者为准。
权利要求1.一种具有荧光粉的太阳能电池，其特征在于，包含一用于将光能转换为电能的光电转换层；一设置于该光电转换层的至少一侧，用于增加光电转换效率的荧光粉层；该荧光粉层为上转换荧光粉层或下转换荧光粉层。
2.如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，该光电转换层为选自P型半导体及N 型半导体中的一者或其组合的层。
3.如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，该光电转换层为选自多晶硅、单晶硅、非晶硅及CdTe中的一者或其组合的层。
4.如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，进一步包含一设置于该光电转换层的至少一侧、该光电转换层及该荧光粉层之间或该荧光粉层的至少一侧的抗反射层。
5.如权利要求4所述的太阳能电池，其特征在于，该抗反射层选自氮化硅、氧化硅及氮氧化硅中的一者或其组合。
6.如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，该荧光粉层通过网版印刷、蒸镀、溅镀、涂布或贴合方式所形成。
7.如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，该荧光粉层的厚度1至100微米。
专利摘要本实用新型提供一种具有荧光粉的太阳能电池，包含一光电转换层，系用于将光能转换为电能；一荧光粉层，系设置于该光电转换层的至少一侧，用于增加光电转换效率；该荧光粉上转换荧光粉或下转换荧光粉，该上转换荧光粉选自X2Mo2O9:X、X2Mo2O9:X，X、X3Mo4O12:X或X3Mo4O12:X，X，该下转换荧光粉选自JQX(PO4)2:X3+或JQX(PO4)2:X2+，X2+，其中X代表任一种稀土金属，J代表锂、钠或钾，而Q代表任一种碱土金属。
文档编号C09K11/80GK202004034SQ201120069390
公开日2011年10月5日 申请日期2011年3月16日 优先权日2011年3月16日
发明者王崇宇, 陈怡坊 申请人:王崇宇, 陈怡坊