光电转换效率综合提高的光伏电池的制作方法

本实用新型设计一种光伏电池，特别是涉及一种光电转换效率综合提高的光伏电池。

背景技术：

目前太阳能电池的转换效率受很多因素影响，仅有很少的光转换为电能。主要是因为太阳光中包含了多种不同波长的光，多（单）晶硅的能带宽度为1.1eV，光谱响应范围为紫外到约1100nm。多（单）晶硅太阳能电池，能进行光电转换的波长范围是400-800nm。所以，只能将太阳全谱段能量的42%转化为电能，52%红外光波段能量和6%的紫外光波段能量，得不到利用。并且，52%红外光能量将会把太阳能电池板加热，降低了可见光谱段的光电转换效率。同时，6%的紫外光能量会逐渐破坏多（单）晶硅的晶体结构，使其产生缺陷，进一步降低可见光谱段的光电转换效率。另外，光在多（单）晶硅太阳能电池表面和保护玻璃界面产生的反射，也降低了可见光谱段的能量利用率。

为了提高光的利用率，应将上转换与下转换发光材料引入到太阳能电池中，将红外光波段和紫外光波段转换为太阳能电池可以利用的可见光波段。由上述原理引出，最先被应用在太阳能光伏器件上的是价格便宜的有机荧光染料，但其有明显的缺点：室外使用有光致衰减现象，并导致太阳能光伏器件性能不稳定。

为了提高光的吸收率，可以采用单层或多层抗反射薄膜来降低反射，提高光的透射率。单层膜对于大多数基片材料，特别是在红外光谱区域，可利用的薄膜材料非常有限或者目前技术无法制备；多层抗反射薄膜的制造成本高，难以大面积制造。再加上抗反射膜层的附着力、抗蚀性以及组份渗透性等缺陷，使其无法推广。

专利号CN201020629457.6专利是最相近专利。该专利中，有三项关键技术未能解决。第一：只利用了红外光，未能利用紫外光，对太阳光谱能量利用不够充分；第二：未考虑太阳光反射问题，造成的光能损失；第三：对转换发光材料最佳掺杂浓度，考虑不具体，造成转换效率不高。

技术实现要素：

本实用新型目在于克服现有技术的上述缺陷，提供一种光电转换效率综合提高的光伏电池。

为实现上述目的，本实用新型光电转换效率综合提高的光伏电池是光电池表面复合有保护玻璃，其特别之处在于具有上转换与下转换发光材料的保护玻璃上表面是微细加工技术制成的微多棱锥阵列结构表面。微多棱锥阵列结构表面有效减少光的前向反射的同时，延长上下转换发光材料的光程，增加光生载流子的产量，从而提高转化效率，并且使水和灰尘不宜驻留。具有有效减少光的前向反射的同时，能够延长上下转换发光材料的光程，增加光生载流子的产量，从而提高转化效率。这种微金字塔阵列结构表面，对于水和灰尘来说，不宜驻留，能够长时间保持保护玻璃的透过率不变，减少太阳能电池板的清洁次数的优点。上转换与下转换发光材料的保护玻璃更优选掺杂上转换与下转换发光材料的保护玻璃。具有光电转换效率高手优点。

作为优化，微多棱锥阵列结构表面是微细加工技术中的放电或电火花腐蚀，在浸泡于绝缘液中的工具电极与保护玻璃电极之间加上一定的电压，并使其相互靠近发生放电，导致电极和玻璃的电腐蚀蒸发处理成的微多棱锥阵列结构表面。多棱锥为等边多棱锥，优选等边对称多棱锥。

作为优化，所述微多棱锥阵列结构表面是四棱锥式微金字塔阵列结构表面或三棱锥式微金字塔阵列结构表面。

作为优化，所述微多棱锥阵列结构高度在7-12nm之间。

作为优化，与下转换发光材料对应的上转换发光材料是十八烷基硫酸钠保护的NaYF4:Er/Tm/Gd纳米粒子；所述微多棱锥阵列结构的侧面底角在55－75度之间。

作为优化，所述十八烷基硫酸钠保护NaYF4:Er/Tm/Gd纳米粒子是在二次水中溶解氢氧化钠，随后在强力搅拌下依次把乙醇和十八烷基硫酸钠加入其中，持续搅拌,使溶液混合均匀；然后依次加入配制好的氯化铒、氯化铥、氯化钆水溶液；最后，把配制好的NH4F溶液逐滴加入其中，用去离子水和无水乙醇反复洗涤数次得到的十八烷基硫酸钠保护的NaYF4:Er/Tm/Gd纳米粒子。

作为优化，所述下转换发光材料是以水和乙醇为溶剂、十八烷基硫酸钠为表面活性剂，采用高温固相法制备的Pr³⁺-Eu³⁺纳米粒子下转换发光材料；或者是嵌入到旋涂玻璃中的纳米晶硅，并且此嵌入旋涂玻璃的纳米晶硅的下转换器置于单晶硅片上代替所述保护玻璃的下转换发光材料。

作为优化，所述上转换发光材料和下转换发光材料掺杂材料都为纳米颗粒，以内部掺杂或表面涂覆的方式进行掺杂。内部掺杂是采用溶胶-凝胶技术、高温固相法将上、下转换材料掺杂到保护玻璃里。表面涂覆是采用热浸镀、纳米热喷涂技术将上、下转换材料，涂覆到保护玻璃上。

作为优化，在保护玻璃下表面涂覆包裹一层介孔二氧化硅的纳米粒子。

作为优化，介孔二氧化硅的纳米粒子是处于宏观和微观之间尺度的二氧化硅纳米粒子。

本实用新型是在保护玻璃里面掺杂合适比例的上转换发光材料，如十八烷基硫酸钠保护NaYF4:Er/Tm/Gd纳米粒子：在二次水中溶解氢氧化钠，随后在强力搅拌下依次把乙醇和十八烷基硫酸钠加入其中，持续搅拌,使溶液混合均匀。然后依次加入配制好的氯化铒、氯化铥、氯化钆水溶液。最后，把配制好的NH4F溶液逐滴加入其中，用去离子水和无水乙醇反复洗涤数次,得到十八烷基硫酸钠保护的NaYF4:Er/Tm/Gd纳米粒子，并且每种水溶液掺杂比例合适，使转换效率最优，通过多光子机制将红外光波段能量转换成可见光波段能量，同时再加入适量的锂或钡的掺杂可以明显的提高上转换纳米材料的发光强度。

同时，掺杂合适比例的下转换发光材料，采用高温固相法制备Pr³⁺-Eu³⁺下转换发光材料并且掺杂比例合适，使转换效率最优，同时纳米晶硅也可作为下转换发光材料，纳米晶硅嵌入到旋涂玻璃中，将此下转换器置于单晶硅片上，将紫外光波段能量转换成可见光波段能量。上转换发光材料和下转换发光材料掺杂材料均为纳米颗粒，以内部掺杂或表面涂覆的方式加入到保护玻璃内，同时由于纳米级尺寸，基本上不会影响保护玻璃的可见光透过率。

同时，在多（单）晶硅一侧的保护玻璃表面，涂覆外面包裹着一层介孔（处于宏观和微观之间的尺度）二氧化硅的纳米粒子，进一步，将红外波段能量转换为可见光波段和紫外波段能量。为了提高转换效率，将保护玻璃表面背向多（单）晶硅一侧的表面，利用微细加工技术中的放电或电火花腐蚀，在浸泡于绝缘液中的工具电极与保护玻璃电极之间加上一定的电压，并使其相互靠近发生放电，导致电极和玻璃的电腐蚀蒸发，将表面处理成微金字塔阵列结构表面，高度在7-12nm之间，有效减少光的前向反射的同时，能够延长上下转换发光材料的光程，增加光生载流子的产量，从而提高转化效率。这种微金字塔阵列结构表面，对于水和灰尘来说，不宜驻留，能够长时间保持保护玻璃的透过率不变。减少太阳能电池板的清洁次数。

本实用新型针对背景技术中，红外光波段能量和紫外光波段能量得不到利用；并且，红外光波段能量将太阳能电池板加热，而降低可见光谱段的光电转换效率；以及，紫外光波段能量破坏多（单）晶硅的晶体结构，产生缺陷，进一步降低可见光谱段的光电转换效率等问题。利用在保护玻璃进行上转换发光材料和下转换发光材料掺杂，或涂覆，介孔（处于宏观和微观之间的尺度）二氧化硅的纳米粒子内表面涂覆，以及外表面微金字塔阵列的表面微细加工技术结合的方法，综合最优设计，实现太阳光谱全谱段能量的光电转换效率提高，以及长时间的转换效率保持，最终实现提高光电池光电转换效率的根本目标。

附图说明

图1是本实用新型光电转换效率综合提高的光伏电池保护玻璃及其下面光电池表面结构性质的示意图；图2是本实用新型光电转换效率综合提高的光伏电池表面微细加工结构光线路径示意图；图3是本实用新型光电转换效率综合提高的光伏电池中保护玻璃内部掺杂上、下转换发光材料示意图。

具体实施方式

如图所示，本实用新型光电转换效率综合提高的光伏电池是光电池表面1复合有保护玻璃2，其特别之处在于具有上转换发光材料3与下转换发光材料4的保护玻璃2上表面是微细加工技术将表面处理成的微多棱锥阵列结构表面。微多棱锥阵列结构表面有效减少光的前向反射的同时，延长上下转换发光材料的光程，增加光生载流子的产量，从而提高转化效率，并且使水和灰尘不宜驻留。具有有效减少光的前向反射的同时，能够延长上下转换发光材料的光程，增加光生载流子的产量，从而提高转化效率。这种微金字塔阵列结构表面，对于水和灰尘来说，不宜驻留，能够长时间保持保护玻璃的透过率不变，减少太阳能电池板的清洁次数的优点。具有上转换与下转换发光材料的保护玻璃更优选掺杂上转换与下转换发光材料的保护玻璃。

具体是：微多棱锥阵列结构表面是微细加工技术中的放电或电火花腐蚀，在浸泡于绝缘液中的工具电极与保护玻璃电极之间加上一定的电压，并使其相互靠近发生放电，导致电极和玻璃的电腐蚀蒸发表面处理成的微多棱锥阵列结构表面。多棱锥为等边多棱锥，优选等边对称多棱锥。

具体是：所述微多棱锥阵列结构表面是四棱锥式微金字塔阵列结构表面6或三棱锥式微金字塔阵列结构表面6。

具体是：所述微多棱锥阵列结构高度在7-12nm之间。具体是：与下转换发光材料4对应的上转换发光材料4是十八烷基硫酸钠保护的NaYF4:Er/Tm/Gd纳米粒子。所述微多棱锥阵列结构的侧面底角在55－75度之间。

具体是：所述十八烷基硫酸钠保护NaYF4:Er/Tm/Gd纳米粒子是在二次水中溶解氢氧化钠，随后在强力搅拌下依次把乙醇和十八烷基硫酸钠加入其中，持续搅拌,使溶液混合均匀；然后依次加入配制好的氯化铒、氯化铥、氯化钆水溶液；最后，把配制好的NH4F溶液逐滴加入其中，用去离子水和无水乙醇反复洗涤数次得到的十八烷基硫酸钠保护的NaYF4:Er/Tm/Gd纳米粒子。

具体是：所述下转换发光材料4是以水和乙醇为溶剂、十八烷基硫酸钠为表面活性剂，采用高温固相法制备的Pr³⁺-Eu³⁺纳米粒子下转换发光材料4；或者是嵌入到旋涂玻璃中的纳米晶硅，并且此嵌入旋涂玻璃的纳米晶硅的下转换器置于单晶硅片上代替所述保护玻璃的下转换发光材料。

具体是：所述上转换发光材料3和下转换发光材料4掺杂材料都为纳米颗粒，以内部掺杂或表面涂覆的方式进行掺杂。内部掺杂是采用溶胶-凝胶技术、高温固相法将上、下转换材料掺杂到保护玻璃里。表面涂覆是采用热浸镀、纳米热喷涂技术将上、下转换材料，涂覆到保护玻璃上。

具体是：采用溶胶凝胶技术将材料掺杂到保护玻璃内，先由金属（钠，铝等）与乙醇类反应，得到金属的醇氧化物，当加入水时，醇氧化物与水作用形成X-OH基团和醇，最终形成X(OR)n中间物，通过中间物的水解，则可以制得均匀的X(OH)n溶胶悬浮体，调节溶胶的酸度或碱度可引起两个X-OH键间的脱水反应，进而形成凝胶，加入上、下转换材料，经过干燥、煅烧后即得掺杂的保护玻璃。

具体是：采用纳米热喷涂技术，将上、下转换材料涂覆到保护玻璃上，利用热源将材料熔化或软化，靠热源自身动力或外加压缩气流，将熔滴雾化或推动熔粒成喷射的粒束，以一定速度喷射到保护玻璃表面形成涂层。

具体是：在保护玻璃下表面涂覆包裹一层介孔二氧化硅的纳米粒子5。

具体是：介孔二氧化硅的纳米粒子5是处于宏观和微观之间尺度的二氧化硅纳米粒子。

更具体是：如图1所示，本实用新型光电转换效率综合提高的光伏电池是在光电池表面1，以及保护玻璃2，利用上转换发光材料3、下转换发光材料4、介孔二氧化硅的纳米粒子5、微金字塔阵列结构表面6相结合的光伏电池，能够很好地实现提高光电池光电转换效率的根本目的。

在保护玻璃里面，掺杂合适比例的上转换发光材料3，如十八烷基硫酸钠保护NaYF4:Er/Tm/Gd纳米粒子：在二次水中溶解氢氧化钠，随后在强力搅拌下依次把乙醇和十八烷基硫酸钠加入其中，持续搅拌,使溶液混合均匀。然后依次加入配制好的氯化铒、氯化铥、氯化钆水溶液。最后，把配制好的NH4F溶液逐滴加入其中，用去离子水和无水乙醇反复洗涤数次,得到十八烷基硫酸钠保护的NaYF4:Er/Tm/Gd纳米粒子，并且每种水溶液掺杂比例合适，使转换效率最优，同时，掺杂合适比例的下转换发光材料4：以水和乙醇为溶剂、十八烷基硫酸钠为表面活性剂，采用高温固相法制备Pr³⁺-Eu³⁺下转换发光材料，将紫外光波段能量转换成可见光波段能量。上转换发光材料和下转换发光材料掺杂材料为纳米颗粒，以内部掺杂或表面涂覆的方式，同时由于纳米级尺寸，基本上不会影响保护玻璃的可见光透过率。

同时，在多（单）晶硅一侧的保护玻璃表面，涂覆外面包裹着一层介孔（处于宏观和微观之间的尺度）二氧化硅的纳米粒子5，进一步，将红外波段能量转换为可见光波段和紫外波段能量。为了提高转换效率，将保护玻璃表面背向多（单）晶硅一侧的表面，利用微细加工技术中的放电或电火花腐蚀，在浸泡于绝缘液中的工具电极与保护玻璃电极之间加上一定的电压，并使其相互靠近发生放电，导致电极和玻璃的电腐蚀蒸发，将表面处理成微金字塔阵列结构表面，高度在7-12nm之间，在有效减少光的前向反射的同时，能够延长上下转换发光材料的光程，增加光生载流子的产量，从而提高转化效率。这种微金字塔阵列结构表面，对于水和灰尘来说，不宜驻留，能够长时间保持保护玻璃的透过率不变。减少太阳能电池板的清洁次数。

图2是微金字塔阵列结构光线路径示意图，可以看出太阳光入射在微金字塔结构表面，可以有效减少光的前向反射，最终大部分的光线均能进入太阳能电池中，使光线得到充分的利用，并且能够延长上下转换发光材料的光程，增加光生载流子的产量，从而提高转化效率。对于水和灰尘来说，不宜驻留，能够长时间保持保护玻璃的透过率不变。减少太阳能电池板的清洁次数。

图3所示为在保护玻璃2内部，掺杂合适比例的上下转换发光材料的示意图，上转换发光材料3如十八烷基硫酸钠保护NaYF4:Er/Tm/Gd纳米粒子，以通过多光子机制将红外光波段能量转换成可见光波段能量。下转换发光材料4，稀土离子有丰富的能级，电子在 4f 层内跃迁或 4f 能级到 5d 能级的跃迁，产生光辐射。所以，利用稀土离子可以实现下转换过程。如Pr³⁺-Eu³⁺稀土离子掺杂纳米颗粒，Ce³⁺-Tb³⁺稀土离子掺杂纳米颗粒等。下转换过程将紫外光波段能量转换成可见光波段能量。

综上，本实用新型利用在光电池和保护玻璃上，利用上转换发光材料、下转换发光材料、介孔二氧化硅的纳米粒子、微金字塔阵列结构表面相结合的方法，以本实用新型技术为依托，能够提供了一种光伏电池光电转换效率更高的太阳能发电系统。

本实用新型针对背景技术中，红外光波段能量和紫外光波段能量得不到利用；并且，红外光波段能量将太阳能电池板加热，而降低可见光谱段的光电转换效率；以及，紫外光波段能量破坏多（单）晶硅的晶体结构，产生缺陷，进一步降低可见光谱段的光电转换效率等问题。利用在保护玻璃进行上转换发光材料和下转换发光材料掺杂，或涂覆，介孔（处于宏观和微观之间的尺度）二氧化硅的纳米粒子内表面涂覆，以及外表面微金字塔阵列的表面微细加工技术结合的方法，综合最优设计，实现太阳光谱全谱段能量的光电转换效率提高，以及长时间的转换效率保持，最终实现提高光电池光电转换效率的根本目标。